Learning Objectives
- 分辨線圈、離散輸入、輸入暫存器、保持暫存器的大小、讀寫權限與功能碼
- 把設備手冊的編號（例如 40001）正確換算成程式裡的位址，避免差一錯誤
- 用 16 位元暫存器表示負數與小數（二補數、乘以 10）
- 說明本課程模擬 PLC 的 I、Q、IW、MW 對應到哪一種 Modbus 資料
Modbus 只認得四種資料
上一課用功能碼 03 讀到了 PLC 的資料。Modbus 不管對方是 PLC、電力錶還是變頻器，一律把資料看成四張表：
| 資料表 | 大小 | client 能不能寫 | 讀的功能碼 | 寫的功能碼 | 常放什麼 |
|---|---|---|---|---|---|
| 離散輸入（discrete input） | 1 位元 | 唯讀 | 02 | 無 | 按鈕、限位開關、感測器的開關狀態 |
| 線圈（coil） | 1 位元 | 可讀寫 | 01 | 05（單一）、15（多個） | 輸出、啟停命令 |
| 輸入暫存器（input register） | 16 位元 | 唯讀 | 04 | 無 | 量測值：溫度、壓力、電流 |
| 保持暫存器（holding register） | 16 位元 | 可讀寫 | 03 | 06（單一）、16（多個） | 設定值、參數、各種狀態 |
「線圈」這個名字來自繼電器的線圈，也就是輸出。很多設備把幾乎所有資料都放在保持暫存器裡， 所以 03 與 06 是最常用的功能碼；拿到一台新設備，第一件事是找手冊裡的暫存器對照表（register map）。
這一課要回答：
- 四張表怎麼對應到 PLC 的 I、Q、IW、MW？
- 手冊寫「40001」，程式裡的位址要填多少？
- 16 位元的暫存器怎麼放負數與小數？
本課程模擬 PLC 的對應
| Modbus | 位址 | 模擬 PLC |
|---|---|---|
| 線圈 | 0～15 | Q0.0～Q1.7（線圈 0＝Q0.0、線圈 8＝Q1.0） |
| 離散輸入 | 0～15 | I0.0～I1.7 |
| 輸入暫存器 | 0～7 | IW0～IW7（類比輸入原始值） |
| 保持暫存器 | 0～31 | MW0～MW31 |
超出範圍會收到例外碼 2（非法資料位址）。各廠牌 PLC 的對應方式都不一樣，有的要在軟體裡自己設定，以手冊為準。
逐步看：四張表各讀一次
對照畫面上 PLC 的輸入、輸出燈與字組，看每一次讀取拿到的是哪一部分。最後試著寫保持暫存器；離散輸入與輸入暫存器沒有寫入的功能碼。
位址從 0 開始，編號從 1 開始
Modbus 規格裡有兩種數法：
- 訊框（PDU）裡的位址：從 0 開始，0～65535。pymodbus 的
address參數就是這個。 - 資料模型的編號：每張表的元素從 1 開始編號。規格寫明：編號 X 的元素，在訊框裡的位址是 X − 1。
很多設備手冊還沿用一種 5 位數（或 6 位數）的寫法，用第一個數字表示哪一張表：
| 手冊寫法 | 資料表 | 程式裡的位址 |
|---|---|---|
| 00001～ | 線圈 | 編號 − 1 |
| 10001～ | 離散輸入 | 編號 − 10001 |
| 30001～ | 輸入暫存器 | 編號 − 30001 |
| 40001～ | 保持暫存器 | 編號 − 40001 |
所以手冊的「40002」要寫成 read_holding_registers(1, …)。直接填 40002 會讀到完全不同的位址（多半超出範圍，收到例外碼 2）；
只差 1 的錯誤更麻煩：不會出錯，只是讀到隔壁的值。有的手冊直接寫從 0 開始的位址，有的用 16 進位，拿到手冊先確認它用哪一種，
再拿一個已知的值（例如型號代碼）讀讀看。
逐步看：40002 要填多少
看通訊紀錄裡第一筆請求的位址欄位 9C 42：那是 40002 的 16 進位，PLC 沒有這麼大的位址，回了例外碼 2。
16 位元能放什麼數字
一個暫存器只有 16 個位元，在訊框裡高位元組在前（大端序，big-endian）：250 傳成 00 FA。
- 無號整數：0～65535。
- 有號整數：用二補數表示 −32768～32767。−50 存成 65486（0xFFCE），讀回來時，最高位元是 1 就減 65536。
- 小數：很多設備把數值乘以 10 或 100 存成整數，例如 25.0 °C 存成 250，手冊會寫「單位 0.1 °C」或「比例 ×10」。
Modbus 本身不知道暫存器裡是有號還是無號，怎麼解讀由手冊決定。
pymodbus 回傳的 registers 一律是 0～65535 的無號數，負數要自己轉換。
需要更大的整數或浮點數時，要用兩個暫存器組成 32 位元，第 14 課會專門介紹（也會用到 convert_from_registers）。
一次能讀的數量也有上限：讀暫存器最多 125 個、讀線圈或離散輸入最多 2000 個（因為一個 Modbus PDU 最多 253 個位元組）。
逐步看：寫入負數的補正值
階梯圖每次掃描都算 MW3＝MW1＋MW2。Python 把 −5.0 °C 的補正值寫到 MW2，PLC 用有號整數計算，得到 20.0 °C；但 Python 讀回來的 MW2 是 65486，要自己轉回負數。
小測驗：四張表
要讀一台變頻器的「目前輸出頻率」（唯讀的 16 位元量測值），最可能用哪一個功能碼？
在本課程的模擬 PLC 上，線圈 10 對應哪個輸出？
手冊寫「40010：馬達速度設定」。程式要寫哪個位址？
小測驗：16 位元的數字
下面的程式會印出什麼？
v = 65436
if v >= 0x8000:
v -= 0x10000
print(v / 10)
暫存器的值 300，在 Modbus 訊框裡是哪兩個位元組？
重點整理
- 四張表：離散輸入（1 位元、唯讀、02）、線圈（1 位元、讀寫、01／05／15）、輸入暫存器（16 位元、唯讀、04）、保持暫存器（16 位元、讀寫、03／06／16）。
- 訊框裡的位址從 0 開始；手冊的 4xxxx 寫法從 1 開始數，位址＝編號 − 40001。先用已知的值確認。
- 暫存器 16 位元、高位元組在前；有號數用二補數，讀回來 ≥ 32768 就減 65536；小數常用「乘以 10」存成整數。
- 本課程模擬 PLC：線圈＝Q、離散輸入＝I、輸入暫存器＝IW、保持暫存器＝MW；各廠牌的對應以手冊為準。
- 要改變設備的行為，寫保持暫存器裡的設定值；輸入類的資料只能讀。
下一課換到乙太網路：Modbus TCP 的訊框多了 MBAP 標頭、少了 CRC，用法幾乎一樣。