Modbus RTU: опрос промышленного датчика

Датчик в цеху был исправен, температура на его табло стояла правильная — а монитор у меня показывал ровно ничего. Плата говорила по RS-485 через MAX485, датчик — тоже, провода в A и B сидели плотно, скорость 9600 совпадала. Разгадка нашлась в листке к датчику, строчкой мелким шрифтом: чётность Even. Я держал 8N1, и восьмой бит каждого кадра уезжал не туда — шина молчала из-за одного бита из одиннадцати. Modbus такой расклад не прощает, и это не каприз, а цена шины, по которой с сотней устройств разговаривают по двум проводам.

Разбирать кадр Modbus RTU я буду руками, без библиотек: протокол короткий, и его полезно один раз прочитать байт за байтом — тогда любая библиотека перестанет быть магией. Считать и сверять контрольную сумму вы уже умеете по уроку про контрольную сумму — здесь та же идея доходит до промышленного стандарта: запрос из восьми байтов с функцией 0x03, ответ с регистром и CRC16 с полиномом 0xA001. Электрику шины я собирал в уроке про связь двух Arduino: RS-485 живёт на тех же TX и RX, только байты летят по витой паре, и слушать их могут сразу все.

Запрос на чтение одного holding-регистра занимает восемь байтов и выглядит так: 01 03 00 00 00 01 84 0A. Раскладка простая: 01 — адрес подчинённого (на шине их бывает до 247, и каждый отвечает только своему адресу), 03 — функция чтения holding-регистров, 00 00 — адрес первого регистра (у моего датчика температура живёт в 0x0000), 00 01 — сколько регистров просим, 84 0A — CRC, причём младший байт идёт первым. Ответ приходит в семи байтах: 01 03 02 01 01 78 14 — адрес тот же, функция эхом, 02 означает «два байта груза», 01 01 — сам регистр: 0x0101, это 257, датчик отдаёт десятые доли градуса, значит 25,7 °C.

Между кадрами протокол требует тишины длиной в 3,5 символа. При 9600 бод символ со стартовым и стоповыми битами тянется 11 битов, около 1,15 мс — пауза выходит примерно 4 мс. Услышали паузу длиннее — прежний кадр кончился. Это спасает парсер от слипшихся ответов: он просто ждёт тишину и начинает новый кадр с первого байта. Тот же приём границы сообщения по молчанию я применял в двоичном протоколе с маркером AA 55 — там границу держит маркер, здесь молчание.

Шестнадцать бит регистра — ещё одна промышленная привычка, которую стоит заметить сразу: старший байт первым, а отрицательные температуры датчики отдают либо в дополнительном коде, либо со смещением — у моего минус начинался от 0x8000. Умножение на 0,1 — тоже договорённость производителя: у соседнего прибора масштаб был 0,01. Физику единиц протокол не задаёт, задаёт паспорт прибора — таблицу регистров из листка я держу под рукой всегда. Диапазон адресов тут не мой каприз: 1-247, ноль отдан под широковещательные кадры, самые верхние значения зарезервированы.

Считается CRC так: регистр заполняют числом 0xFFFF, по очереди ксорят в него каждый байт кадра и восемь раз сдвигают вправо; выпала единица из младшего разряда — ксорят константу 0xA001. Готовое 16-битное число кладут в конец кадра низким байтом вперёд — именно здесь я обжёгся в первый раз: посчитал верно, записал в обратном порядке, и датчик молча выбрасывал каждый кадр. Приёмник проверяет зеркально: прогоняет crc16 по байтам до CRC и сравнивает с двумя байтами из хвоста — не сошлось, кадр в мусор. Откуда 0xA001: это отражённый полином 0x8005, Modbus считает биты с младшего — переписывать ничего не надо, просто держите константу как есть.

Второй сугубо полевой нюанс — MAX485. На двухпроводной шине чип в каждый момент либо говорит, либо слушает, за это отвечают ножки DE и RE: их соединяют вместе и вешают на один пин Arduino. Подняли HIGH — передаём, уронили в LOW — отдаём шину. Забыть вернуть LOW — классика жанра: свой запрос плата видит, а ответ нет, и «датчик молчит» на ровном месте. Кадры без HEX-дампа в этой кухне не отлаживают — читать байты по столбикам я учил в уроке про системы счисления. Если хотите проверить алгоритм руками: прогон байтов 01 03 00 00 00 01 по нему даёт 0x0A84, и младший байт 0x84 уходит в кадр первым.

Пройдём по порядку. digitalWrite(PIN_DE, HIGH) открывает передатчик, Serial.write(zapros, 8) вываливает кадр целиком, и Serial.flush() здесь не украшение, а обязательный шаг: без него DE упадёт раньше, чем последний стоповый бит выйдет с провода, и хвост запроса датчик не увидит. Ожидание ответа стоит не на delay, а на таймере millis() с потолком 100 мс: датчики отвечают за 10-20 мс, но обрыв линии не должен вешать скетч навсегда. Принцип неблокирующего ожидания разобран в уроке про millis против delay.

Проверка перед применением ответа трёхступенчатая: пришло ровно семь байтов, адрес и функция совпали с запросом, CRC сошлась — и только тогда байты груза склеиваются в регистр и умножаются на 0,1. Журнал я советую вести как в уроке про диагностику UART: печатать кадр в HEX целиком, даже валидный. Промышленная шина живёт своей жизнью — повторные передачи и шум встречаются чаще, чем на макетке, и без дампа в журнале вы их просто не увидите. Индикаторную вспышку светодиода на валидный кадр я вешаю всегда: одна вспышка за опрос — и по ней видно, жив ли обмен, даже без монитора.

Опрашивать датчик чаще, чем он меняется, — расточительство: температура в цеху живёт минутами, и моё правило — период опроса в разы медленнее скорости изменения величины. Зато и не реже, чем нужно остальным: пока мастер молчит, шина свободна, и на ней спокойно висят ещё полдюжины устройств со своими адресами. Каждый обмен — это 8 байтов в одну сторону и 7 в другую; на 9600 бод полный цикл с одним регистром занимает около 17 мс эфира. При паре опросов в секунду это копейки, при десяти — заметный трафик, а при сотнях приборов на линии расписание опросов превращается в отдельную инженерную задачу.

Тот же скелет читает и два регистра, и восемь: меняется поле количества (00 02 и далее) и длина ожидаемого ответа — счётчик байтов в третьем байте ответа честно подскажет, сколько груза ждать. Соседние регистры датчик отдаёт одним кадром: температура в 0x0000, влажность в 0x0001 — один опрос вместо двух, эфир занят вдвое меньше. Групповое чтение соседних регистров — стандартный приём промышленных опросов, берите его на вооружение сразу: он же экономит паузы по 3,5 символа, которых на длинной цепочке обменов набегает немало.