【實(shí)用篇】ModbusTCP協(xié)議詳解

概述

Modbus由MODICON公司于1979年開發(fā)，是一種工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。1996年施耐德公司推出基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議：ModbusTCP。Modbus協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)接口，采用master/slave方式通信。 AModbus TCP數(shù)據(jù)幀 ModbusTCP的數(shù)據(jù)幀可分為兩部分：MBAP+PDU。（一）報(bào)文頭MBAP：MBAP為報(bào)文頭，長度為7字節(jié)，組成如下：

（二）幀結(jié)構(gòu)PDU：PDU由功能碼+數(shù)據(jù)組成。功能碼為1字節(jié)，數(shù)據(jù)長度不定，由具體功能決定。

（1）功能碼：Modbus的操作對象有四種：線圈、離散輸入、保持寄存器、輸入寄存器。

（2）根據(jù)對象的不同，Modbus的功能碼有：

（3）說明更詳細(xì)的表：

BPDU詳細(xì)結(jié)構(gòu)

（1）0x01：讀線圈：在從站中讀1~2000個(gè)連續(xù)線圈狀態(tài)，ON=1,OFF=0

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 數(shù)量H 數(shù)量L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)（一個(gè)地址的數(shù)據(jù)為1位）

如：在從站0x01中，讀取開始地址為0x0002的線圈數(shù)據(jù)，讀0x0008位
00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08

回：數(shù)據(jù)長度為0x01個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)為0x01，第一個(gè)線圈為ON，其余為OFF
00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

（2）0x05：寫單個(gè)線圈：將從站中的一個(gè)輸出寫成ON或OFF，0xFF00請求輸出為ON,0x000請求輸出為OFF。

請求：MBAP 功能碼 輸出地址H 輸出地址L 輸出值H 輸出值L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 輸出地址H 輸出地址L 輸出值H 輸出值L（共12字節(jié)）

如：將地址為0x0003的線圈設(shè)為ON
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

回：寫入成功
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

（3）0x0F：寫多個(gè)線圈：將一個(gè)從站中的一個(gè)線圈序列的每個(gè)線圈都強(qiáng)制為ON或OFF，數(shù)據(jù)域中置1的位請求相應(yīng)輸出位ON，置0的位請求響應(yīng)輸出為OFF。

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 輸出數(shù)量H 輸出數(shù)量L 字節(jié)長度 輸出值H 輸出值L

響應(yīng)：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 輸出數(shù)量H 輸出數(shù)量L

（4）0x02：讀離散量輸入：從一個(gè)從站中讀1~2000個(gè)連續(xù)的離散量輸入狀態(tài)。

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 數(shù)量H 數(shù)量L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)（長度：9+ceil（數(shù)量/8））

如：從地址0x0000開始讀0x0012個(gè)離散量輸入
00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12

回：數(shù)據(jù)長度為0x03個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)為0x01 04 00，表示第一個(gè)離散量輸入和第11個(gè)離散量輸入為ON，其余為OFF
00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00

（5）0x04：讀輸入寄存器：從一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中讀1~2000個(gè)連續(xù)輸入寄存器。

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數(shù)量H 寄存器數(shù)量L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 數(shù)據(jù)長度 寄存器數(shù)據(jù)(長度：9+寄存器數(shù)量×2)

如：讀起始地址為0x0002，數(shù)量為0x0005的寄存器數(shù)據(jù)
00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05

回：數(shù)據(jù)長度為0x0A，第一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)為0x0c，其余為0x00
00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00

（6）0x03：讀保持寄存器：從遠(yuǎn)程設(shè)備中讀保持寄存器連續(xù)塊的內(nèi)容。

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數(shù)量H 寄存器數(shù)量L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 數(shù)據(jù)長度 寄存器數(shù)據(jù)(長度：9+寄存器數(shù)量×2)

如：起始地址是0x0000，寄存器數(shù)量是 0x0003
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03

回：數(shù)據(jù)長度為0x06，第一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)為0x21，其余為0x00
00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

（7）0x06：寫單個(gè)保持寄存器：在一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中寫一個(gè)保持寄存器。

請求：MBAP 功能碼 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字節(jié)）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字節(jié)）

如：向地址是0x0000的寄存器寫入數(shù)據(jù)0x000A
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

回：寫入成功
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

（8）0x10：寫多個(gè)保持寄存器：在一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中寫連續(xù)寄存器塊（1~123個(gè)寄存器）。

請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數(shù)量H 寄存器數(shù)量L 字節(jié)長度 寄存器值（13+寄存器數(shù)量×2）

響應(yīng)：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數(shù)量H 寄存器數(shù)量L（共12字節(jié)）

如：向起始地址為0x0000，數(shù)量為0x0001的寄存器寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為0x02，數(shù)據(jù)為0x000F
00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F

回：寫入成功
00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01

CModbus TCP示例報(bào)文

ModBusTcp與串行鏈路Modbus的數(shù)據(jù)域是一致的，具體數(shù)據(jù)域可以參考串行Modbus。這里給出幾個(gè)ModbusTcp的鏈路解析說明，輔助新人分析報(bào)文。

DModbus TCP通信

（一）通信方式

Modbus設(shè)備可分為主站(poll)和從站(slave)。主站只有一個(gè)，從站有多個(gè)，主站向各從站發(fā)送請求幀，從站給予響應(yīng)。在使用TCP通信時(shí)，主站為client端，主動建立連接；從站為server端，等待連接。

主站請求：功能碼+數(shù)據(jù)

從站正常響應(yīng)：請求功能碼+響應(yīng)數(shù)據(jù)

從站異常響應(yīng)：異常功能碼+異常碼，其中異常功能碼即將請求功能碼的最高有效位置1，異常碼指示差錯(cuò)類型

需要超時(shí)管理機(jī)制，避免無期限的等待可能不出現(xiàn)的應(yīng)答

IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機(jī)構(gòu)）給Modbus協(xié)議賦予TCP端口號為502，這是目前在儀表與自動化行業(yè)中唯一分配到的端口號。

（二）通信過程

connect 建立TCP連接

準(zhǔn)備Modbus報(bào)文

使用send命令發(fā)送報(bào)文

在同一連接下等待應(yīng)答

使用recv命令讀取報(bào)文，完成一次數(shù)據(jù)交換

通信任務(wù)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉TCP連接

E仿真軟件

Modbus poll 和Modbus slave是一組Modbus仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)Modbus RTU、TCP、串口仿真等。

仿真軟件網(wǎng)址：https://modbustools.com/download.html

在ModbusTCP中，Modbus poll 作為客戶端請求數(shù)據(jù)，Modbus slave 作為服務(wù)器端處理請求。

使用c語言編寫客戶端連接Modbus slave時(shí)，注意數(shù)據(jù)格式，一條指令一次性發(fā)出，否則連接會出錯(cuò)。

使用軟件時(shí)，需要指定功能碼，在setup->slave definition或者poll definition中進(jìn)行設(shè)置。
– slave ID：從站編號（事務(wù)標(biāo)識符）
– function：功能碼，0x01對應(yīng)線圈操作，0x02對應(yīng)離散量操作，0x03對應(yīng)保持寄存器操作，0x04對應(yīng)輸入寄存器操作
– address：開始地址
– quantity：寄存器/線圈/離散量 的數(shù)量