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Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，在1979年末該公司成為施耐德自動(dòng)化(Schneider Automation)部門(mén)的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。
當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，Modbus協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢(xún)問(wèn)方。
Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實(shí)現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。
Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)，但TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗(yàn)，因?yàn)門(mén)CP協(xié)議是一個(gè)面向連接的可靠協(xié)議。另外，Modbus采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中如果某Slave站點(diǎn)斷開(kāi)后（如故障或關(guān)機(jī)），Master端可以診斷出來(lái)，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動(dòng)接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。
下面我來(lái)簡(jiǎn)單的給大家介紹一下，對(duì)于Modbus的ASCII、RTU和TCP協(xié)議來(lái)說(shuō)，其中TCP和RTU協(xié)議非常類(lèi)似，我們只要把RTU協(xié)議的兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼去掉，然后在RTU協(xié)議的開(kāi)始加上5個(gè)0和一個(gè)6并通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去即可。所以在這里我僅介紹一下Modbus的ASCII和RTU協(xié)議。
下表是ASCII協(xié)議和RTU協(xié)議進(jìn)行的比較：
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協(xié)議 |
開(kāi)始標(biāo)記 |
結(jié)束標(biāo)記 |
校驗(yàn) |
傳輸效率 |
程序處理 |
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ASCII |
:（冒號(hào)） |
CR,LF |
LRC |
低 |
直觀(guān)，簡(jiǎn)單，易調(diào)試 |
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RTU |
無(wú) |
無(wú) |
CRC |
高 |
不直觀(guān)，稍復(fù)雜 |
通過(guò)比較可以看到，ASCII協(xié)議和RTU協(xié)議相比擁有開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)記，因此在進(jìn)行程序處理時(shí)能更加方便，而且由于傳輸?shù)亩际强梢?jiàn)的ASCII字符，所以進(jìn)行調(diào)試時(shí)就更加的直觀(guān)，另外它的LRC校驗(yàn)也比較容易。但是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)亩际强梢?jiàn)的ASCII字符，RTU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每一個(gè)字節(jié)ASCII都要用兩個(gè)字節(jié)來(lái)傳輸，比如RTU傳輸一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)0xF9,ASCII就需要傳輸’F’’9’的ASCII碼0x39和0x46兩個(gè)字節(jié)，這樣它的傳輸?shù)男示捅容^低。所以一般來(lái)說(shuō)，如果所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小可以考慮使用ASCII協(xié)議，如果所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，最好能使用RTU協(xié)議。
下面對(duì)兩種協(xié)議的校驗(yàn)進(jìn)行一下介紹。
1、LRC校驗(yàn)
LRC域是一個(gè)包含一個(gè)8位二進(jìn)制值的字節(jié)。LRC值由傳輸設(shè)備來(lái)計(jì)算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過(guò)程中計(jì)算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說(shuō)明有錯(cuò)誤。
LRC校驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，它在ASCII協(xié)議中使用，檢測(cè)了消息域中除開(kāi)始的冒號(hào)及結(jié)束的回車(chē)換行號(hào)外的內(nèi)容。它僅僅是把每一個(gè)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按字節(jié)疊加后取反加1即可。下面是它的VC代碼：
BYTE GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗(yàn)碼
{
BYTE byLrc = 0;
char pBuf[4];
int nData = 0;
for(i=1; i<end; i+=2) //i初始為1，避開(kāi)“開(kāi)始標(biāo)記”冒號(hào)
{
//每?jī)蓚�(gè)需要發(fā)送的ASCII碼轉(zhuǎn)化為一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)
pBuf [0] = pSendBuf [i];
pBuf [1] = pSendBuf [i+1];
pBuf [2] = '\0';
sscanf(pBuf,"%x",& nData);
byLrc += nData;
}
byLrc = ~ byLrc;
byLrc ++;
return byLrc;
}
2、CRC校驗(yàn)
CRC域是兩個(gè)字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。
CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過(guò)程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對(duì)CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無(wú)效。
CRC產(chǎn)生過(guò)程中，每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來(lái)檢測(cè)，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。
CRC添加到消息中時(shí)，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。下面是它的VC代碼：
WORD GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗(yàn)碼
{
WORD wCrc = WORD(0xFFFF);
for(int i=0; i<nEnd; i++)
{
wCrc ^= WORD(BYTE(pSendBuf[i]));
for(int j=0; j<8; j++)
{
if(wCrc & 1)
{
wCrc >>= 1;
wCrc ^= 0xA001;
}
else
{
wCrc >>= 1;
}
}
}
return wCrc;
}
對(duì)于一條RTU協(xié)議的命令可以簡(jiǎn)單的通過(guò)以下的步驟轉(zhuǎn)化為ASCII協(xié)議的命令：
1、 把命令的CRC校驗(yàn)去掉，并且計(jì)算出LRC校驗(yàn)取代。
2、 把生成的命令串的每一個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的兩個(gè)字節(jié)的ASCII碼，比如0x03轉(zhuǎn)化成0x30,0x33（0的ASCII碼和3的ASCII碼）。
3、 在命令的開(kāi)頭加上起始標(biāo)記“:”，它的ASCII碼為0x3A。
4、 在命令的尾部加上結(jié)束標(biāo)記CR,LF（0xD,0xA），此處的CR,LF表示回車(chē)和換行的ASCII碼。
所以以下我們僅介紹RTU協(xié)議即可，對(duì)應(yīng)的ASCII協(xié)議可以使用以上的步驟來(lái)生成。
下表是Modbus支持的功能碼：
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功能碼 |
名稱(chēng) |
作用 |
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01 |
讀取線(xiàn)圈狀態(tài) |
取得一組邏輯線(xiàn)圈的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF) |
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02 |
讀取輸入狀態(tài) |
取得一組開(kāi)關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF) |
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03 |
讀取保持寄存器 |
在一個(gè)或多個(gè)保持寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值 |
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04 |
讀取輸入寄存器 |
在一個(gè)或多個(gè)輸入寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值 |
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05 |
強(qiáng)置單線(xiàn)圈 |
強(qiáng)置一個(gè)邏輯線(xiàn)圈的通斷狀態(tài) |
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06 |
預(yù)置單寄存器 |
把具體二進(jìn)值裝入一個(gè)保持寄存器 |
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07 |
讀取異常狀態(tài) |
取得8個(gè)內(nèi)部線(xiàn)圈的通斷狀態(tài)，這8個(gè)線(xiàn)圈的地址由控制器決定 |
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08 |
回送診斷校驗(yàn) |
把診斷校驗(yàn)報(bào)文送從機(jī)，以對(duì)通信處理進(jìn)行評(píng)鑒 |
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09 |
編程（只用于484） |
使主機(jī)模擬編程器作用，修改PC從機(jī)邏輯 |
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10 |
控詢(xún)（只用于484） |
可使主機(jī)與一臺(tái)正在執(zhí)行長(zhǎng)程序任務(wù)從機(jī)通信，探詢(xún)?cè)搹臋C(jī)是否已完成其操作任務(wù)，僅在含有功能碼9的報(bào)文發(fā)送后，本功能碼才發(fā)送 |
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11 |
讀取事件計(jì)數(shù) |
可使主機(jī)發(fā)出單詢(xún)問(wèn)，并隨即判定操作是否成功，尤其是該命令或其他應(yīng)答產(chǎn)生通信錯(cuò)誤時(shí) |
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12 |
讀取通信事件記錄 |
可是主機(jī)檢索每臺(tái)從機(jī)的ModBus事務(wù)處理通信事件記錄。如果某項(xiàng)事務(wù)處理完成，記錄會(huì)給出有關(guān)錯(cuò)誤 |
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13 |
編程（184/384 484 584） |
可使主機(jī)模擬編程器功能修改PC從機(jī)邏輯 |
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14 |
探詢(xún)（184/384 484 584） |
可使主機(jī)與正在執(zhí)行任務(wù)的從機(jī)通信，定期控詢(xún)?cè)搹臋C(jī)是否已完成其程序操作，僅在含有功能13的報(bào)文發(fā)送后，本功能碼才得發(fā)送 |
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15 |
強(qiáng)置多線(xiàn)圈 |
強(qiáng)置一串連續(xù)邏輯線(xiàn)圈的通斷 |
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16 |
預(yù)置多寄存器 |
把具體的二進(jìn)制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器 |
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17 |
報(bào)告從機(jī)標(biāo)識(shí) |
可使主機(jī)判斷編址從機(jī)的類(lèi)型及該從機(jī)運(yùn)行指示燈的狀態(tài) |
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18 |
（884和MICRO 84） |
可使主機(jī)模擬編程功能，修改PC狀態(tài)邏輯 |
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19 |
重置通信鏈路 |
發(fā)生非可修改錯(cuò)誤后，是從機(jī)復(fù)位于已知狀態(tài)，可重置順序字節(jié) |
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20 |
讀取通用參數(shù)（584L） |
顯示擴(kuò)展存儲(chǔ)器文件中的數(shù)據(jù)信息 |
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21 |
寫(xiě)入通用參數(shù)（584L） |
把通用參數(shù)寫(xiě)入擴(kuò)展存儲(chǔ)文件，或修改之 |
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22～64 |
保留作擴(kuò)展功能備用 |
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65～72 |
保留以備用戶(hù)功能所用 |
留作用戶(hù)功能的擴(kuò)展編碼 |
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73～119 |
非法功能 |
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120～127 |
保留 |
留作內(nèi)部作用 |
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128～255 |
保留 |
用于異常應(yīng)答 |
在這些功能碼中較長(zhǎng)使用的是1、2、3、4、5、6號(hào)功能碼，使用它們即可實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的數(shù)字量和模擬量的讀寫(xiě)操作。
1、讀可讀寫(xiě)數(shù)字量寄存器（線(xiàn)圈狀態(tài)）：
計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址：在一個(gè)485總線(xiàn)上可以?huà)旖佣鄠�(gè)設(shè)備，此處的設(shè)備地址表示想和哪一個(gè)設(shè)備通訊。例子中為想和17號(hào)(十進(jìn)制的17是十六進(jìn)制的11)通訊。
<2>命令號(hào)01：讀取數(shù)字量的命令號(hào)固定為01。
<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開(kāi)關(guān)量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為19。
<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開(kāi)始讀多少個(gè)開(kāi)關(guān)量。例子中為37個(gè)開(kāi)關(guān)量。
<5>CRC校驗(yàn)：是從開(kāi)頭一直校驗(yàn)到此之前。在此協(xié)議的最后再作介紹。此處需要注意，CRC校驗(yàn)在命令中的高低字節(jié)的順序和其他的相反。
設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號(hào)01] [返回的字節(jié)個(gè)數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n][CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和命令號(hào)和上面的相同。
<2>返回的字節(jié)個(gè)數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。
<3>數(shù)據(jù)1...n：由于每一個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)8位的數(shù)，所以每一個(gè)數(shù)據(jù)表示8個(gè)開(kāi)關(guān)量的值，每一位為0表示對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，為1表示閉合。比如例子中，表示20號(hào)(索引號(hào)為19)開(kāi)關(guān)閉合，21號(hào)斷開(kāi)，22閉合，23閉合，24斷開(kāi)，25斷開(kāi)，26閉合，27閉合...如果詢(xún)問(wèn)的開(kāi)關(guān)量不是8的整倍數(shù)，那么最后一個(gè)字節(jié)的高位部分無(wú)意義，置為0。
<4>CRC校驗(yàn)同上。
2、讀只可讀數(shù)字量寄存器（輸入狀態(tài)）：
和讀取線(xiàn)圈狀態(tài)類(lèi)似，只是第二個(gè)字節(jié)的命令號(hào)不再是1而是2。
3、寫(xiě)數(shù)字量（線(xiàn)圈狀態(tài)）：
計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號(hào):寫(xiě)數(shù)字量的命令號(hào)固定為05。
<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的開(kāi)關(guān)的地址。
<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。例子中為把該開(kāi)關(guān)閉合。注意，此處只可以是[FF][00]表示閉合[00][00]表示斷開(kāi)，其他數(shù)值非法。
<5>注意此命令一條只能下置一個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。
設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。
4、讀可讀寫(xiě)模擬量寄存器（保持寄存器）：
計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][03][00][6B][00][03][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號(hào):讀模擬量的命令號(hào)固定為03。
<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的模擬量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為107。
<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開(kāi)始讀多少個(gè)模擬量。例子中為3個(gè)模擬量。注意，在返回的信息中一個(gè)模擬量需要返回兩個(gè)字節(jié)。
設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號(hào)03] [返回的字節(jié)個(gè)數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n][CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和命令號(hào)和上面的相同。
<2>返回的字節(jié)個(gè)數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。例子中返回了3個(gè)模擬量的數(shù)據(jù)，因?yàn)橐粋�(gè)模擬量需要2個(gè)字節(jié)所以共6個(gè)字節(jié)。
<3>數(shù)據(jù)1...n：其中[數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]分別是第1個(gè)模擬量的高8位和低8位，[數(shù)據(jù)3][數(shù)據(jù)4]是第2個(gè)模擬量的高8位和低8位，以此類(lèi)推。例子中返回的值分別是555，0，100。
<4>CRC校驗(yàn)同上。
5、讀只可讀模擬量寄存器（輸入寄存器）：
和讀取保存寄存器類(lèi)似，只是第二個(gè)字節(jié)的命令號(hào)不再是2而是4。
6、寫(xiě)單個(gè)模擬量寄存器（保持寄存器）：
計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)的高8位]
例：[11][06][00][01][00][03][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號(hào):寫(xiě)模擬量的命令號(hào)固定為06。
<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模擬量寄存器的地址。
<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數(shù)據(jù)。比如例子中就把1號(hào)寄存器的值設(shè)為3。
<5>注意此命令一條只能下置一個(gè)模擬量的狀態(tài)。
設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。
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