ArduinoでModbusをマスターする：ステップバイステップガイド

必要な部品と材料

部品	数量
Arduino UNO	1
Arduino用プロフェッショナルRS422/RS485シールド	1
USB-RS485変換アダプタ	1
ブレッドボード（汎用）	1
LED（汎用）	1
抵抗 10kΩ	1
抵抗 221Ω	1
ジャンパーワイヤー（汎用）	1
SparkFun プッシュボタンスイッチ 12mm	1

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE
• ModbusTester（Modbusマスターソフトウェア）

プロジェクト概要

Modbusはシリアル通信の標準規格として、産業用電子機器の接続に広く採用されているデファクトスタンダードプロトコルです。Modbus RTUおよびModbus ASCIIでは、物理層としてRS-485が使用されます。ArduinoをModbusスレーブ（制約付きでマスターも可能）として使用できますが、RS-485インターフェースが必要です。ここで使用するRS422/RS485シールドは、Arduino UNOおよび互換ボード（Arduino 101、STM Nucleoなど）向けに設計された完全絶縁型シリアル通信シールドで、この種のアプリケーションに最適です。

このドキュメントでは、Arduino UNOを使ってシンプルなModbusスレーブデバイスを作成する手順を解説します。ModbusマスターとしてPCを使用します。

必要なツールと材料

• Arduino UNO
• Arduino用RS-485シールド
• PC接続用RS-485-USBアダプタ

オプション（動作確認用）：

• ブレッドボード
• プッシュボタン
• 赤色LED
• 220Ω抵抗
• 10kΩ抵抗
• ジャンパーワイヤー

ソフトウェア

• Arduino IDE
• ModbusTester

RS-485配線

配線は非常にシンプルです。シールドのA端子とB端子を、ModbusシステムのA線とB線にそれぞれ接続するだけです。Y端子とZ端子はこの用途では使用しません。長距離伝送の場合は、A線とB線にツイストペアケーブルを使用することを推奨します。

Arduino配線（オプション）

Modbus通信の効果を視覚的に確認するため、LEDとボタンをArduinoに追加することを推奨します。これはオプションで、必須ではありません。

DIPスイッチ設定

RS422/RS485シールドには3つのDIPスイッチバンクがあります。Modbus用に以下のように設定してください。

• スイッチ1: 1-OFF、2-ON、3-ON、4-OFF
• スイッチ2: 1-OFF、2-OFF、3-ON、4-ON
• スイッチ3: 1-OFFまたはON*、2-OFF、3-OFF、4-OFF

* RS422/RS485シールドがModbusラインのどの位置にあるかにより、終端抵抗をON/OFFします。シールドがバスラインの端にある場合のみONにし、それ以外ではOFFにしてください。

ジャンパー設定

シールド上には3つのジャンパーエリアがあります。特に重要なのは電源電圧設定用のJP1です。Arduino UNOは内部的に5Vで動作するため、このジャンパーを5V位置に設定してください（Arduino 101などの3.3Vボードの場合は3.3V位置）。

さらに、左上の通信ポート用ジャンパーを画像のように設定します。これにより、内部UART（ポート0と1）がシールドのRS-485インターフェースに接続されます。

最後にRX/TX制御ポート用ジャンパーですが、自動RX/TX切り替えが設定されているため、このジャンパーは使用しません。

PCへのModbusTesterソフトウェアインストール

この例ではPCをModbusマスターとして使用します。ModbusTesterをダウンロードし、ZIPアーカイブをハードディスク上の新しいディレクトリに解凍してください。ソフトウェアを起動し、画像のように設定項目を変更します。USB-RS485アダプタを接続してから、ModbusTesterで正しいCOMポートを選択してください。

Arduinoソフトウェア

Arduino IDEにファームウェアを読み込み、コンパイルして書き込んでください。

動作テスト

いよいよ動作テストです！

ModbusTesterの「Read」ボタンを押すと、スレーブデバイスのメモリから8バイトが読み取れます。アドレス400008にはボタンの状態が、アドレス400001〜400006にはADCポートの値が格納されています。

「Write」ボタンでスレーブのレジスタを操作できます。アドレス400007に0または1を書き込むと、LEDのON/OFFを制御できます。

サンプルコード（Arduino UNO用）

/* 
 * Arduino RS422/RS485シールド用テストプログラム
 * Version 1.0
 * Copyright (C) 2018 Hartmut Wendt www.zihatec.de
 * (https://github.com/angeloc/simplemodbusng をベースに作成)
 * 
 * このプログラムはフリーソフトウェアです。GNU General Public License v3以降の条件で再配布・変更可能です。
 * 詳細: https://www.gnu.org/licenses/
 */
#include <SimpleModbusSlave.h>

#define ledPin 12      // オンボードLED
#define buttonPin 7    // プッシュボタン

/* このサンプルコードは9つのホールディングレジスタを使用します。
 * 6つのアナログ入力、1つのボタン、1つのデジタル出力、1つのエラーカウントレジスタ。
 * ファンクション5（単一コイル書き込み）は未実装のため、ファンクション16でレジスタ全体を使ってLEDを制御します。
 * modbus_update()メソッドはholdingRegs配列を更新し、通信をチェックします。
 */
enum {
  ADC0, ADC1, ADC2, ADC3, ADC4, ADC5,
  LED_STATE, BUTTON_STATE, TOTAL_ERRORS,
  TOTAL_REGS_SIZE  // レジスタ総数（ファンクション3と16で共有）
};

unsigned int holdingRegs[TOTAL_REGS_SIZE];

void setup() {
  // modbus_configure(ボーレート, スレーブID, 送信イネーブルピン, レジスタ数, 低レイテンシ)
  // 送信イネーブルピン: 半二重通信でMAX485等を制御。無効化する場合は2未満（0,1はRx/Tx予約）を指定
  modbus_configure(9600, 1, 6, TOTAL_REGS_SIZE, 0);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT);
}

void loop() {
  // modbus_update()はエラー総数を返す。マスター側での故障診断に有用
  holdingRegs[TOTAL_ERRORS] = modbus_update(holdingRegs);

  // アナログ入力6チャネルを読み取り
  for (byte i = 0; i < 6; i++) {
    holdingRegs[i] = analogRead(i);
    delayMicroseconds(50);
  }

  // ボタン状態読み取り
  byte buttonState = digitalRead(buttonPin);
  holdingRegs[BUTTON_STATE] = buttonState;

  // LED_STATEレジスタの値でオンボードLEDを制御（ファンクション16経由）
  byte ledState = holdingRegs[LED_STATE];
  if (ledState) {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    holdingRegs[LED_STATE] = 0;
  }
}