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Modbus TCP协议

作者：你好赵伟 | 2024-03-28 02:11:59

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modbus tcp

Modbus介绍

1、起源

  1.    Modbus 通信协议，是一种工业现场总线协议标准。
  2.    Modbus通信协议具有多个变种，其中有支持串口，以太网多个版本，主要有以下三种：
  3.         Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP
  4.    优势：   免费、简单、容易使用

2、分类：

  1. （1）Modbus RTU
  2.       二进制  效率高  常用    运行在串口上的协议，采用二进制表现形式以及紧凑型数据结构，通信效率高，应用广泛
  3. （2）Modbus  ASCII  
  4.      运行在串口上的协议，采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于Modbus RTU协议，一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用Modbus ASCII通信协议
  5. （3）Modbus TCP    
  6.      运行在以太网上的协议

3、优势：

  免费、简单、容易使用

4、Modbus 应用场景：

     Modbus协议是现在国内工业领域应用最多的协议，不只PLC设备，各种终端设备，比如水控机、水表、电表、工业秤、各种采集设备

5、特点：

  1.     采用主从问答方式进行通信
  2.     Modbus TCP是应用层协议，基于传输层TCP协议实现
  3.     Modbus TCP端口号默认为502

Modbus TCP协议

    TCP和RTU协议非常类似，只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可 Modbus采用主从问答方式(master/slave)通信，有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点（可以多个），每一个slave设备都有一个唯一的地址            ModbusTCP通常使用端口502作为接收报文端口

Modbus TCP协议格式

Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据三部分

Modbus TCP/IP协议最大数据帧长度为260字节

1、 MBAP报文头：

Modbus TCP/IP协议包含一个7字节报文头

2、寄存器

Modbus TCP通过寄存器的方式存储数据。

寄存器分类：

离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器。

离散量输入和线圈其实就是位寄存器（每个寄存器数据占1个字节），工业上主要用于控制IO设备。

输入和保持寄存器是字寄存器（每个寄存器数据占2个字节），工业上主要用于存储工业设备的值。

寄存器PLC地址 开头表示状态：
   0开头:线圈   1开头:离散输入  3 开头：输入寄存器    4开头：保持寄存器
离散输入寄存器

离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。

所以功能码也简单就一个读的 0x02

线圈寄存器

类比为开关量，每一个bit都对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。 线圈寄存器可读可写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。

对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f

保持寄存器

这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读可写的。比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写

所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10

输入寄存器

这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值

对应的功能码也就一个 0x04

3、功能码：

根据四种不同的寄存器设置了8种功能码，分别如下表所示

在实际使用时会根据要进行的操作选择不同的功能码

功能码：

  1. 读：01 ~04
  2.     01：读线圈
  3.     02：读离散输入
  4.     03：读保持寄存器
  5.     04：读输入寄存器
  1. 写： 05 06 15 16
  2.     05：写单个线圈
  3.     06：写单个保存计时器
  4.     15：写多个线圈
  5.     16：写多个保存寄存器

举例：（详细解）

读取保持寄存器 功能码 ：03H

  1. 主站询问数据流：00  00  00  00 || 00  06 || 11 || 03 || 00  6B || 00  02
  2. 从左到右依次分析：
  3.       00 00：事务标识符，类似与TCP里的seq和ack，可以随意写,回复和发送的会一致
  4.       00 00：协议标识符，00 00表示ModbusTCP协议
  5.       00 06：表示接下来的数据长度，单位为字节
  6.       11：单元标识符，即新建寄存器表时候的从机ID，默认是1
  7.       03：功能码，读保持寄存器
  8.       00 6B：读取的寄存器起始地址，0x6B=107则对应寄存器PLC地址为40108
  9.       00 02：读取的寄存器个数为2个，则结束地址为40108+2-1=40109
  1. 从站应答数据流：00  00  00  00 || 00  07 || 11 || 03 || 04 || 02  2B || 01  06
  2. 前八字节不再重复，同上
  3.        04：计数的字节个数
  4.        02 2B：第一个寄存器40108的数据值
  5.        01 06：第二个寄存器40109的数据值

  1. 读线圈状态寄存器： 功能码 01H

函数：
  1. int modbus_read_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
  2. 功能：读取线圈状态，可读取多个连续线圈的状态（对应功能码为0x01）
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     addr ：寄存器起始地址
  6.     nb    ：寄存器个数
  7.     dest ：得到的状态值

  1. 读离散输入寄存器 ： 功能码02H

函数
  1. int  modbus_read_input_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
  2. 功能：读取输入状态，可读取多个连续输入的状态（对应功能码为0x02）
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     addr ：寄存器起始地址
  6.     nb   ：寄存器个数
  7.     dest ：得到的状态值
  8. 返回值：成功：返回nb的值

  1. 读取保持寄存器 ： 功能码03H

函数
  1. int  modbus_read_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
  2. 功能：读取保持寄存器的值，可读取多个连续保持寄存器的值（对应功能码为0x03）
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     addr ：寄存器起始地址
  6.     nb    ：寄存器个数
  7.     dest ：得到的寄存器的值
  8. 返回值：成功：读到寄存器的个数
  9.        失败：-1

  1. 读输入寄存器 ： 功能码04H

函数
  1. int   modbus_read_input_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
  2. 功能：读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     addr ：寄存器起始地址
  6.     nb    ：寄存器个数
  7.     dest ：得到的寄存器的值
  8. 返回值：成功：读到寄存器的个数
  9.        失败：-1

  1. 写单个线圈寄存器 ： 功能码05H

函数
  1. int  modbus_write_bit(modbus_t *ctx, int addr, int status);
  2. 功能：写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）
  3. 参数：
  4.     ctx     ：Modbus实例
  5.     addr  ：线圈地址
  6.     status：线圈状态
  7. 返回值：成功：0
  8.       失败：-1

  1. 写单个保持寄存器 ： 功能码06H

函数
  1. int  modbus_write_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint8_t *src);
  2. 功能：写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）
  3. 参数：
  4.     ctx     ：Modbus实例
  5.     addr  ：线圈地址
  6.     nb     ：线圈个数
  7.     src    ：多个线圈状态
  8. 返回值：成功：0
  9.       失败：-1

  1. 写多个线圈状态 ： 功能码0FH（15）

函数
  1. int  modbus_write_register(modbus_t *ctx, int addr, int value);
  2. 功能：  写入单个寄存器（对应功能码为0x06）
  3. 参数： 
  4.     ctx    ：Modbus实例
  5.     addr  ：寄存器地址
  6.     value ：寄存器的值 
  7. 返回值：成功：0
  8.        失败：-1

  1. 写（预置）多个保持寄存器 ： 功能码10H（16）

函数
  1. int  modbus_write_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint16_t *src);
  2. 功能：写入多个连续寄存器（对应功能码为16）
  3. 参数：
  4.     ctx    ：Modbus实例
  5.     addr  ：寄存器地址
  6.     nb     ：寄存器的个数
  7.     src    ：多个寄存器的值 
  8. 返回值：成功：0
  9.       失败：-1

Modbus库

三方库的使用

1、gcc xx.c -I ./install/include/modbus -L./install/lib -lmodbus

./a.out

解释：

-I 后需要指定出头文件的路径(大写的i)

-L 后需要指定库的路径

-l 后需要指定库名

因为库为动态库，所有运行时会报错，

2.要想编译方便，可以将头文件和库文件放到系统路径下

sudo cp install/include/modbus/*.h /usr/include

sudo cp install/lib/* -r /lib -d

后期编译时，可以直接gcc xx.c -lmodbus

头文件默认搜索路径：/usr/include 、/usr/local/include

库文件默认搜索路径：/lib、/usr/lib

编程流程

1. 创建实例 modbus_new_tcp

  1. modbus_t*   modbus_new_tcp(const char *ip, int port)
  2. 功能：以TCP方式创建Modbus实例，并初始化
  3. 参数：
  4.     ip   ：ip地址
  5.     port：端口号
  6. 返回值：成功：Modbus实例
  7.       失败：NULL

2. 设置从机ID modbus_set_slave

  1. int modbus_set_slave(modbus_t *ctx, int slave)
  2. 功能：设置从机ID
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     slave：从机ID
  6. 返回值：成功：0
  7.        失败：-1

3. 和从机进行连接 modbus_connect

  1. int   modbus_connect(modbus_t *ctx)
  2. 功能：和从机（slave）建立连接
  3. 参数：
  4.     ctx：Modbus实例
  5. 返回值：成功：0
  6.        失败：-1

4. 寄存器进行操作 功能码对应函数

  1. int modbus_read_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
  2. 功能：读取线圈状态，可读取多个连续线圈的状态（对应功能码为0x01）
  3. 参数：
  4.     ctx   ：Modbus实例
  5.     addr ：寄存器起始地址
  6.     nb    ：寄存器个数
  7.     dest ：得到的状态值
  8. int  modbus_read_input_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
  9. 功能：读取输入状态，可读取多个连续输入的状态（对应功能码为0x02）
  10. 参数：
  11.     ctx   ：Modbus实例
  12.     addr ：寄存器起始地址
  13.     nb   ：寄存器个数
  14.     dest ：得到的状态值
  15. 返回值：成功：返回nb的值
  16. int  modbus_read_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
  17. 功能：读取保持寄存器的值，可读取多个连续保持寄存器的值（对应功能码为0x03）
  18. 参数：
  19.     ctx   ：Modbus实例
  20.     addr ：寄存器起始地址
  21.     nb    ：寄存器个数
  22.     dest ：得到的寄存器的值
  23. 返回值：成功：读到寄存器的个数
  24.        失败：-1
  25. int   modbus_read_input_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
  26. 功能：读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）
  27. 参数：
  28.     ctx   ：Modbus实例
  29.     addr ：寄存器起始地址
  30.     nb    ：寄存器个数
  31.     dest ：得到的寄存器的值
  32. 返回值：成功：读到寄存器的个数
  33.        失败：-1
  34. int  modbus_write_bit(modbus_t *ctx, int addr, int status);
  35. 功能：写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）
  36. 参数：
  37.     ctx     ：Modbus实例
  38.     addr  ：线圈地址
  39.     status：线圈状态
  40. 返回值：成功：0
  41.       失败：-1
  42. int  modbus_write_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint8_t *src);
  43. 功能：写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）
  44. 参数：
  45.     ctx     ：Modbus实例
  46.     addr  ：线圈地址
  47.     nb     ：线圈个数
  48.     src    ：多个线圈状态
  49. 返回值：成功：0
  50.       失败：-1
  51. int  modbus_write_register(modbus_t *ctx, int addr, int value);
  52. 功能：  写入单个寄存器（对应功能码为0x06）
  53. 参数： 
  54.     ctx    ：Modbus实例
  55.     addr  ：寄存器地址
  56.     value ：寄存器的值 
  57. 返回值：成功：0
  58.        失败：-1
  59. int  modbus_write_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint16_t *src);
  60. 功能：写入多个连续寄存器（对应功能码为16）
  61. 参数：
  62.     ctx    ：Modbus实例
  63.     addr  ：寄存器地址
  64.     nb     ：寄存器的个数
  65.     src    ：多个寄存器的值 
  66. 返回值：成功：0
  67.       失败：-1

5. 关闭套接字 modbus_close

  1. void   modbus_close(modbus_t *ctx)
  2. 功能：关闭套接字
  3. 参数：ctx：Modbus实例

6. 释放实例 modbus_free

  1. void   modbus_free(modbus_t *ctx)
  2. 功能：释放Modbus实例
  3. 参数：ctx：Modbus实例

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