物联网-ModBus-TCP/IP

■ 1. ModBus-TCP/IP学习链接

Modbus TCP通信笔记

■ 2. ModBus-TCP/IP简介

RS-485常与MODBUS协议结合使用，MODBUS协议定义了数据帧的结构和通信规则。
ModBus 网络只有一个主机，所有通信都由他发出
网络可支持 247 个之多的远程从属控制器

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构
Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式。

数据通讯采用 Maser/Slave方式，
Master端发出数据请求消息，
Slave端 接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；
Master端 也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。
Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。

一种基于以太网TCP/IP的应用层协议——Modbus TCP/IP协议。
Modbus TCP是Modbus协议在以太网上的一种实现，它保留了Modbus协议的核心功能和数据模型，但对消息封装进行了调整，使其符合TCP/IP的要求。
在进行下一步之前我们首先对Modbus中的一些概念做一个了解。
在这里插入图片描述

■ 2.1 Modbus 存储区

存储的数据类型分为布尔量和寄存器
==Modbus规定了4个存储区，分别是0、1、3、4 ==

所属区名称地址范围（5位）数据类型存储类型通讯类型S7-200 SMART 数据区
0区输出线圈（D0 ）00001-09999位布尔量（0-1）读/写Q0.0-Q31.7
1区输入线圈（DI）10001-19999位布尔量（0-1）读I0.0-I31.7
2区输出寄存器（A0）20001-29999字寄存器（16位）读/写AIW0-AIW110
3区输入寄存器（AI）30001-39999字寄存器 16位）读T-T+2*（xxxx-1）

■ 2.2 Modbus 地址映射到 CPU 地址

Modbus 地址CPU 地址
00001Q0.0
00002Q0.1
…………
10001I0.0
10002I0.1
…………
30001AIW0
30002AIW2
…………
40001Vx（保持寄存器起始地址） 例：VW0
40002Vx+2 =（保持寄存器起始地址+2）例：VW2
…… ……

■ 2.3 操作对象

对象含义
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

■ 2.4 功能码

项目功能码说明
读操作
0x01：读输出线圈状态。
0x02：读输入线圈状态。
0x03：读输出寄存器的值。
0x04：读输入寄存器的值
写操作
0x05：写单个线圈状态。
0x06：写单个寄存器的值。
0x0F：写多个线圈状态。
0x10：写多个寄存器的值。

在这里插入图片描述

■ 2.5 角色

主站（Master）角色：客户端（Client），主动发起通信请求。
从站（Slave）角色：服务器（Server）被动响应请求。

■ 2.6 字节序： Modbus使用大端序（Big-Endian）

Modbus使用大端序（Big-Endian）

■ 2.7 错误码

在这里插入图片描述

■ 3. Modbus TCP/IP的报文帧

ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU
MBAP：包含事务标识符、协议标识符、消息长度、设备地址
Modbus PDU：原始Modbus协议的数据部分，包括功能码、数据地址和数据值。
在这里插入图片描述

■ MBAP报文头

事务处理标识协议标识长度单元标识符（设备地址）
2字节2字节2字节1字节
内容含义
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Modbus TCP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

■ 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。

■ ADU详细结构

■ 0x01：读线圈

在从站中读连续线圈状态，ON=1,OFF=0。

请求：

MBAP功能码起始地址H
起始地址L		线圈数量H
线圈数量L
7字节1字节2字节2字节

响应:

MBAP功能码线圈数据长度数据
7字节1字节1字节线圈数据

这是一个请求读线圈输出20-38的实例：
在这里插入图片描述

实验一：如：数据长度为0x01个字节，数据为0x01，第一个线圈为ON，其余为OFF。

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	01	00	00	00	08
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01	  	地址
01	  	功能码   0x01：读线圈
00	00	起始地址
00	08  线圈数量 （位） 


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 04 01	01	01	01
00 01   事务标识符
00 00   协议标识符
00 04   后面报文长度
01	    地址
01	    功能码   0x01：读线圈
01		线圈数据长度  线圈数据长度=1+(线圈数量-1)/8
01      数据

实验二：自己验证OK

■ 0x02：读离散量输入

在从站中读连续离散量输入状态，ON=1,OFF=0。

请求：

MBAP功能码起始地址H
起始地址L		离散量输入数量H
离散量输入数量L
7字节1字节2字节2字节

响应:

MBAP功能码离散量输入数据长度数据
7字节1字节1字节
长度=1+(离散量输入数量-1)/8		离散量输入数据

这是一个请求读取离散量输入197-218的实例：
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站（服务器）0x01中，读取开始地址为0x0000的线圈数据，读0x0008位。

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	02	00	00	00	08
00 01  事务标识符
00 00  协议标识符
00 06  后面报文长度
01	   地址 
02	   功能码   0x02：读离散量输入 
00 00  起始地址
00 08  离散量输入数量   多少位


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 04 01	02	01	01
00 01  事务标识符
00 00  协议标识符
00 04  后面报文长度
01	   地址
02	   功能码  0x02：读离散量输入 
01     数据长度   数据长度=1+(离散量输入-1)/8
01     数据

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

实验一：
如：在从站（服务器）0x01中，读取开始地址为0x0000的线圈数据，读0x0008位。

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	02	00	00	00	08
00 01  事务标识符
00 00  协议标识符
00 06  后面报文长度
01	   地址 
02	   功能码   0x02：读离散量输入 
00 00  起始地址
00 08  离散量输入数量


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 04 01	02	01	01
00 01  事务标识符
00 00  协议标识符
00 04  后面报文长度
01	   地址
02	   功能码  0x02：读离散量输入 
01     数据长度     长度=1+(离散量输入数量-1)/8 
01     数据

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 0x03：读保持寄存器

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
7字节1字节2字节2字节

响应:

MBAP功能码数据长度数据
7字节1字节1字节
数据长度=寄存器数量*2		数据

==这是一个请求读寄存器108-110的实例： ==
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0000的保持寄存器数据，读0x003个

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	03	00	00	00	03
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01	  	地址
03	  	功能码   0x03：读保持寄存器
00 00 	起始地址	
00 03 	寄存器数量


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 09 01	03	06	00 21 00 00 00 00
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 09   后面报文长度
01	    地址
03		功能码   0x03：读保持寄存器
06	    数据长度    数据长度=寄存器数量*2
00 21 00 00 00 00  数据

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 0x04：读输入寄存器

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
7字节1字节2字节2字节

响应:

MBAP功能码数据长度数据
7字节1字节1字节数据

==这是一个请求读输入寄存器9的实例： ==
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0000的输入寄存器数据，读0x003个

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	04	00	00	00	03
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
04		功能码   0x04：读输入寄存器
00	00	起始地址
00	03	寄存器数量

主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 09 01	04	06	00 21 00 00 00 00
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 09  	后面报文长度
01		地址
04		功能码  0x04：读输入寄存器
06	    数据长度   数据长度=寄存器数量*2
00 21 00 00 00 00  数据

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 0x05：写单个线圈

请求

MBAP功能码线圈地址H
线圈地址L		输出值H
输出值L
7字节1字节2字节2字节
0xFF00 请求输出为ON,
0x0000 请求输出为OFF

响应:

MBAP功能码线圈地址H
线圈地址L		输出值H
输出值L
7字节1字节2字节2字节

==这是一个请求写线圈173为ON的实例： ==
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站（服务器）0x01中，将地址为0x0000 的线圈设置为ON

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	05	00	00	FF	00
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
05		功能码   0x05：写单个线圈
00	00	起始地址  
FF	00	输出值   0xFF00请求输出为ON, 0x000请求输出为OFF


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 06 01	05	00	00	FF	00
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
05		功能码   0x05：写单个线圈
00	00	起始地址 
FF	00  输出值    0xFF00请求输出为ON, 0x000请求输出为OFF

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 0x06：写单个寄存器

在主站（客户端）将从站（服务器）中的一个保持寄存器设置

请求：

MBAP功能码保持寄存器地址H
保持寄存器地址L		设置值H
设置值L
7字节1字节2字节2字节

响应：

MBAP功能码保持寄存器地址H
保持寄存器地址L		设置值H
设置值L
7字节1字节2字节2字节

这是一个请求将十六进制00 03写入寄存器2的实例：
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站（服务器）0x01中，将地址为0x0000的保持寄存器设置为0x000A。

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 06 01	06	00	00	00	0A
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
06		功能码  0x06：写单个保持寄存器
00 00	保持寄存器地址
00 0A	设置值


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 06 01	06	00	00	00	0A
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
06		功能码  0x06：写单个保持寄存器
00 00	保持寄存器地址
00 0A	设置值

实验二：自己验证OK
主站：修改 42008地址 word 修改为88
只能主站（客户端）修改值后同步到从站（服务器），从站（服务器）修改后没有同步到主站

主站(客户端)：发送 00 00 00 00 00 06 01 06 07 D7 00 58

//42008 WORD 修改为88
00 00  事务标识符
00 00  协议标识符
00 06  后面报文长度
01     地址
06     功能码  0x06：写单个保持寄存器
07 D7  寄存器地址          0x07D7 = 2007     
00 58  设置值              0x0058 = 88

主站(客户端)：接收 00 00 00 00 00 06 01 06 07 D7 00 58
00 00  事务标识符
00 00  协议标识符
00 06  后面报文长度
01     地址
06     功能码  0x06：写单个保持寄存器
07 D7  寄存器地址          0x07D7 = 2007     
00 58  设置值              0x0058 = 88

■ 0x0F：写多个线圈

请求

MBAP功能码线圈起始地址H
线圈起始地址L		线圈数H
线圈数L		线圈输出字节长度线圈输出值
7字节1字节2字节2字节1字节
线圈输出字节长度=1+(线圈数-1)/8		（线圈输出字节长度）个字节

注意：线圈输出字节长度=1+(线圈数-1)/8

响应:

MBAP功能码线圈起始地址H
线圈起始地址L		线圈数H
线圈数L
7字节1字节2字节2字节

这是一个请求从线圈20开始写入10个线圈的实例：
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站（服务器）0x01中，将以地址0x0000开始连续的4个线圈设置为ON

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 08 01	0F	00	00	00	04	01	0F
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 08 	后面报文长度
01		地址
0F		功能码   
00	00	线圈起始地址
00	04	线圈数 （位）
01		线圈输出字节长度  线圈输出字节长度=1+(线圈数-1)/8
0F		线圈输出值

主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 06 01	0F	00	00	00	04
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
0F		功能码
00	00	线圈起始地址
00	04	线圈数（位）

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 0x10：写多个保持寄存器

请求

MBAP功能码寄存器起始地址H
寄存器起始地址L		寄存器数量H
寄存器数量L		数据字节长度寄存器数据
7字节1字节2字节2字节1字节
数据字节长度=寄存器数量×2		（数据字节长度）个字节

响应:

MBAP功能码寄存器起始地址H
寄存器起始地址L		寄存器数量H
寄存器数量L
7字节1字节2字节1字节

==这是一个请求将十六进制00 0A和01 02写入以2开始的两个寄存器的实例： ==
在这里插入图片描述

实验一：如：在从站（服务器）0x01中，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

主站(客户端)：发送 00 01 00 00 00 09 01	10	00	00	00	01	02	00 0F
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 09 	后面报文长度
01		地址
10		功能码
00	00	寄存器起始地址
00	01	寄存器数量
02		寄存器数据字节长度  寄存器数据字节长度=寄存器数量×2
00 0F	寄存器数据


主站(客户端)：接收 00 01 00 00 00 06 01	10	00	00	00	01
00 01 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06 	后面报文长度
01		地址
10		功能码
00	00	寄存器起始地址
00	01  寄存器数量

实验二：自己验证OK

在这里插入代码片

■ 4. Modbus TCP/IP 数据分析

在这里插入图片描述

主站(客户端)：发送数据去读取从站数据 读取长度10个寄存器）并接收

Tx: --------------
00000000000601030000000A
Rx: --------------
(29)0000000000170103140001000A0014001E00280032003C00460050005A

Tx: --------------
00 00 
00 00 
00 06 后面报文长度
01    地址
03    功能码
00 00 起始地址
00 0A 读取长度   0xA=10个寄存器

Rx: --------------
00 00 事务标识符
00 00 协议标识符
00 17 后面报文长度 0x17 = 23个字节
01    地址
03    功能码
14    长度   数据的长度 0x14 = 20字节  和上面读取长度10对应上
00 01 00 0A 00 14 00 1E 00 28 00 32 00 3C 00 46 00 50 00 5A  寄存器的的值

从站（服务器）：接收数据分析 并回复

Rx:00 00 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A 
Tx:00 00 00 00 00 17 01 03 14 00 01 00 0A 00 14 00 1E 00 28 00 32 00 3C 00 46 00 50 00 5A 

Rx:--------------
00 00 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 06	 后面报文长度
01    	地址
03    	功能码
00 00	 起始地址
00 0A	 读取长度10个寄存器  一个寄存器2个字节 所以接收回来是10*2字节

Tx:--------------
00 00 	事务标识符
00 00 	协议标识符
00 17 	后面报文长度 0x17 = 23个字节
01    	地址
03    	功能码
14    	长度   数据的长度 0x14 = 20字节  和上面读取长度10对应上
00 01 00 0A 00 14 00 1E 00 28 00 32 00 3C 00 46 00 50 00 5A  	寄存器的的值
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