ModbusTCP通信协议简介

1 简介

modbus由MODICON公司于1979年开发,是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的modbus协议:modbusTCP。

Modbus协议是一项应用层报文传输协议,包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。

标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口,采用master/slave方式通信。

2 ModbusTCP数据帧

ModbusTCP的数据帧可分为两部分:MBAP+PDU。

2.1 报文头MBAP

MBAP为报文头,长度为7字节,组成如下:

事务处理标识 协议标识 长度 单元标识符
2字节 2字节 2字节 1字节

事务处理标识 :可以理解为报文的序列号,一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符 :00 00表示ModbusTCP协议。
长度 :表示接下来的数据长度,单位为字节。
单元标识符 :可以理解为设备地址。

2.2 帧结构PDU

PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节,数据长度不定,由具体功能决定。

2.2.1 功能码

modbus的操作对象有四种:线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器。

线圈 PLC的输出位,开关量,在MODBUS中可读可写
离散量 PLC的输入位开关量,在MODBUS中只读
输入寄存器 PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器,在MODBUS中只读
保持寄存器 PLC中用于输出模拟量信号的寄存器,在MODBUS中可读可写

根据对象的不同,modbus的功能码有:

0x01 读线圈
0x05 写单个线圈
0x0F 写多个线圈
0x02 读离散量输入
0x04 读输入寄存器
0x03 读保持寄存器
0x06 写单个保持寄存器
0x10 写多个保持寄存器

2.2.2 PDU详细结构

0x01:读线圈

在从站中读1~2000个连续线圈状态,ON=1,OFF=0

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 数据长度 数据(一个地址的数据为1位)
如:在从站0x01中,读取开始地址为0x0002的线圈数据,读0x0008位
00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08
回:数据长度为0x01个字节,数据为0x01,第一个线圈为ON,其余为OFF
00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

0x05:写单个线圈

将从站中的一个输出写成ON或OFF,0xFF00请求输出为ON,0x000请求输出为OFF

请求:MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L(共12字节)
如:将地址为0x0003的线圈设为ON
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00
回:写入成功
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

0x0F:写多个线圈

将一个从站中的一个线圈序列的每个线圈都强制为ON或OFF,数据域中置1的位请求相应输出位ON,置0的位请求响应输出为OFF

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L 字节长度 输出值H 输出值L
响应:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L


0x02:读离散量输入

从一个从站中读1~2000个连续的离散量输入状态

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 数据长度 数据(长度:9+ceil(数量/8))
如:从地址0x0000开始读0x0012个离散量输入
00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12
回:数据长度为0x03个字节,数据为0x01 04 00,表示第一个离散量输入和第11个离散量输入为ON,其余为OFF
00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00


0x04:读输入寄存器

从一个远程设备中读1~2000个连续输入寄存器

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度:9+寄存器数量×2)
如:读起始地址为0x0002,数量为0x0005的寄存器数据
00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05
回:数据长度为0x0A,第一个寄存器的数据为0x0c,其余为0x00
00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00


0x03:读保持寄存器

从远程设备中读保持寄存器连续块的内容

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度:9+寄存器数量×2)
如:起始地址是0x0000,寄存器数量是 0x0003
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
回:数据长度为0x06,第一个寄存器的数据为0x21,其余为0x00
00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00


0x06:写单个保持寄存器

在一个远程设备中写一个保持寄存器

请求:MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L(共12字节)
响应:MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L(共12字节)
如:向地址是0x0000的寄存器写入数据0x000A
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A
回:写入成功
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A


0x10:写多个保持寄存器

在一个远程设备中写连续寄存器块(1~123个寄存器)

请求:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L 字节长度 寄存器值(13+寄存器数量×2)
响应:MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L(共12字节)
如:向起始地址为0x0000,数量为0x0001的寄存器写入数据,数据长度为0x02,数据为0x000F
00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F
回:写入成功
00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01


3 ModbusTCP通信

3.1 通信方式

modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个,从站有多个,主站向各从站发送请求帧,从站给予响应。在使用TCP通信时,主站为client端,主动建立连接;从站为server端,等待连接。

主站请求:功能码+数据
从站正常响应:请求功能码+响应数据
从站异常响应:异常功能码+异常码,其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1,异常码指示差错类型
注意:需要超时管理机制,避免无期限的等待可能不出现的应答

3.2 在linux下使用modbusTCP连接

IANA(Internet Assigned Numbers Authority,互联网编号分配管理机构)给Modbus协议赋予TCP端口号为502,这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。
通信过程
1.connect 建立TCP连接
2.准备modbus报文
3.使用send命令发送报文
4.在同一连接下等待应答
5.使用recv命令读取报文,完成一次数据交换
6.通信任务结束时,关闭TCP连接

4 Modbus poll / Modbus slave

modbus poll 和modbus slave是一组modbus仿真软件,可以实现modbus RTU、TCP、串口仿真等。
在modbusTCP中,modbus poll 作为客户端请求数据,modbus slave 作为服务器端处理请求。
使用c语言编写客户端连接modbus slave时,注意数据格式,一条指令一次性发出,否则连接会出错。
使用软件时,需要指定功能码,在setup->slave definition或者poll definition中进行设置。

slave ID 从站编号(事务标识符)
function 功能码,0x01对应线圈,0x02对应离散量,0x03对应保持寄存器,0x04对应输入寄存器操作
address 开始地址
quantity 寄存器/线圈/离散量 的数量

Linux C作为客户端连接modbus slave的源码:
链接:https://pan.baidu.com/s/146svXpit0umpk809TV1Sdw 密码:b6gn
参考:
https://wenku.baidu.com/view/c2a9e1cc376baf1ffd4fad5c.html
https://blog.csdn.net/zwxue251/article/details/24154951
https://blog.csdn.net/lakerszhy/article/details/68927178?locationNum=4&fps=1

 

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