Modbus协议基于modscan 的设备数据收发过程模拟

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一、基本介绍

  Modbus采用主从式通信，日常使用较多的是Modbus RTU和Modbus TCP/IP两种协议。Modbus RTU是使用串口通讯最广泛的协议之一，市面上有大量的Modbus协议调试工具，本文推荐使用Modscan32和Modsim32,其中，Modscan32作为Modbus主站（模拟上位机软件），Modsim32用来模拟Modbus从站，也就是模拟工业现场的Modbus设备。

• ModScan32用来模拟主设备。它可以发送指令到从机设备（使用Modbus协议的智能仪表终端设备）中，从机响应之后，就可以在界面上返回相应寄存器的数据。
• ModSim32用来模拟从设备。 它可以模拟采用ModBus协议的智能终端。主要用在HMI组态开发中，通过ModSim32改变寄存器状态的值，模拟智能终端的状态变化，来观察HMI画面的变化。使得画面的变量配置正确。
    ModSim32和ModScan32可以在同一台电脑中运行，用来模拟采用了Modbus协议的设备的数据收发过程，本文先介绍了虚拟串口工具VSPD(Virtual Serial Port Driver)、Modscan32和Modsim32的使用，再通过实际案例说明了串口调试工具、方法和步骤。

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二、工具使用说明

2.1 Modsim32的使用 - 模拟从设备 - 生成设备数据

1. 进入modsim32目录：modscan安装包目录/Modsim32/
2. 点击ModSim32应用程序，进入软件
   

2.1.1 新建虚拟设备 - modsim文件

  需要特别注意的是，Modsim32每个文件仅能同时模拟一个寄存器范围，例如，要同时模拟一个Modbus设备的01线圈和03保持寄存器，需要新建两个设备并进行配置。

初次打开ModSim32需要新建一个虚拟设备

点击文件(File)->新建（new）

Modsim32支持同时新建多台模拟设备，新建完成后，输入：

注意：

• 从站的地址(Device id)：这里最低只能配置为1，对应Modbus指令里的0地址）

• 寄存器起始地址（Address)：读取的点的位置，modscan32读取的点位要加1位，即如果点的实际位置为2时，在地址栏输入3.）

• 寄存器数量（Length）：即读取的点的个数。某些设备的点数是有限的，如一块表一共就10个点，在ping这块表时，输入的数据地址长度请勿超过10个。）

• MODBUS Point Type：可以配置使用的Modbus点位类型。（注意：修改不同的点位类型时，对应地址前面会带有不同的前缀数据，这个并不影响Modbus指令里的起始地址，只是用于PLC的地址分段）

  01：COIL STATUS：继电器状态 - 线圈（可读可写）
  02：INPUT STATUS：输入状态 - 线圈（只读）
  03：HOLDING REGISTER：保持寄存器（可读可写） - 一般选用这个选项
  04：INPUT REGISTER：输入寄存器（只读）

新建完成后，点击文件（File） -> 保存（save） 保存文件到对应位置。

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2.1.2 打开虚拟设备 - modsim文件

  modsim支持打开一起按配置好的sim文件，不用每次都去重新配置。
点击文件(File)->打开（open）,选择对应的modsim文件：

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2.1.3 连接设置

配置完成后，点击连接设置（Connect）连接串口：

2.1.3.1 TCP连接配置

点击：连接设置（Connect）-> modbus/tcp
设置端口号，Modbus/TCP的默认端口号为1024。实际根据连接设备的IP和端口号来设置。

2.1.3.2 串口COM连接配置

点击：连接设置（Connect）-> 端口号（COM 号）

1. 协议选择：根据通信设备选择使用RTU模式或ASCII模式，工业应用的话一般使用RTU模式，很少使用ASCII模式。另外还有"Daniel/enron/OMNI"（一种基于标准的扩展形式）的RTU和ASCII模式可以选。
   

2. 参数配置：
      在配置窗口中配置好端口号、波特率、数据位、校验位、停止位，一般是9600波特率（9600 Baud），8个数据位（8 Data bits），无校验位（None Parity），1个停止位（1 Stop Bit）。当然这个是要根据实际通信的设备进行匹配设置。
   

3. 硬流控制配置： 硬件流控制如果没有使用的话，按默认设置即可。
   

4. 设置完点确认即可完成设置进行连接。
   （1）数据区***上方会显示通讯状态，如下图所示，说明连接失败
   
   （2）数据区上方无文字提示，说明连接成功。
   

【点击查看更多连接状态】

当然，ModSim32也支持通过物理串口模拟Modbus设备。

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2.1.4 配置 - 设置数据自变更

  ModSim32支持设置寄存器值，可以通过固定值、随机值和递增、递减四种方式设置寄存器值。双击某个寄存器，可以设置其对应值：
（1）如果要设置固定值，只需要修改Value值并选择Update按钮进行更新；
（2）如果要进行更高级的模拟，需要点击Auto Simulation，选择Random（随机）或者Increment(递增)Decrement（递减）方式，并且配置最大最小值。
双击数据项，设置属性：


英文版为：

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2.1.5 完成模拟

1. 模拟完成后，断开连接:
   点击：连接设置（Connection）-> 断开连接（Disconnect），点击对应的协议端口断开。
2. Modsim配置可以保存在文件中，以免进行复杂的模拟时，每次打开Modsim32都需要逐个重新配置。

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2.2 ModScan32的使用 - 模拟主设备

【工具使用】Modscan32软件使用详解

  Modscan32的使用与Modsim32非常类似。

1. 进入moscan32目录：modscan安装包目录/
2. 双击ModScan32应用程序，进入软件
   
   功能界面如下：
   

2.2.1 新建设备

1. 如果没有设备，新建设备：点击文件(File)->新建（new）
   
2. 支持同时新建多台模拟设备，新建完成后，输入配置参数，这里的参数要与从机设备参数配置一致。
   

注意：

• 从站的地址(Device id)：这里最低只能配置为1，对应Modbus指令里的0地址）

• 寄存器起始地址（Address)：读取的点的位置，modscan32读取的点位要加1位，即如果点的实际位置为2时，在地址栏输入3。一般建议先读少量寄存器，确认通讯上了之后再批量读多个寄存器数据。

• 寄存器数量（Length）：即读取的点的个数。某些设备的点数是有限的，如一块表一共就10个点，在ping这块表时，输入的数据地址长度请勿超过10个。）

• MODBUS Point Type：可以配置使用的Modbus点位类型。（注意：修改不同的点位类型时，对应地址前面会带有不同的前缀数据，这个并不影响Modbus指令里的起始地址，只是用于PLC的地址分段）

  01：COIL STATUS：继电器状态 - 线圈（可读可写）
  02：INPUT STATUS：输入状态 - 线圈（只读）
  03：HOLDING REGISTER：保持寄存器（可读可写） - 一般选用这个选项
  04：INPUT REGISTER：输入寄存器（只读）

3. 新建完成后，点击文件（File） -> 保存（save） 或点击 保存图标，自定义文件名，选择合适的位置存储。
   
4. 如果已经有配置好的设备：
   点击文件(File)->打开（open）,选择对应的modscan文件打开。

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2.2.2 连接设置

2.2.2.1 TCP连接配置

点击：连接设置（Connect）

1. 选择连接类型：TCP
2. 连接信息配置：实际根据连接设备的IP和端口号来设置。
   

2.2.2.2 串口（COM）连接配置

当通讯接口是串口时需要确定现在具体使用的是PC机的哪个串口。

点击：连接设置（Connect）

1. 点击下拉框，选择对应的串口。这里的串口与从机为一对串口，如果COM3与COM4为一对串口，从机设置的为COM3,则这里选择COM4.
2. 在配置窗口中配置好端口号、波特率、数据位、校验位、停止位，一般是9600波特率（9600 Baud），8个数据位（8 Data bits），无校验位（None Parity），1个停止位（1 Stop Bit）。当然这个是要根据实际通信的从机设备进行匹配设置。这里的参数要与从机设备的连接参数一致。
   
   如下示例：
   

3.点击“协议选择（rotecol selection）”，根据通信的从机设备选择使用RTU模式或ASCII模式，工业应用的话一般使用RTU模式，很少使用ASCII模式。另外还有"Daniel/enron/OMNI"（一种基于标准的扩展形式）的RTU和ASCII模式可以选。一定要与从机设备的协议类型保持一致。

3. 再设置下超时时间和帧间隔时间（实际就是每个窗口之间的发送间隔），超时时间可以按默认1s就行，Modbus国标规定是200ms到1s。帧间隔时间按默认20ms设置即可。
4. 另外勾选""可选择单个写入线圈/寄存器时，要使用15/16指令（支持批量写入）还是05/06指令（只支持单个写入）。
5.硬件流控制如果没有使用的话，按默认设置即可。设置完点确认即可完成设置进行连接。

6. 设置完点确认即可完成设置进行连接。
   （1）数据区***上方会显示通讯状态，如下图所示，说明连接失败
   
   （2）数据区上方无文字提示，说明连接成功。
   
   【点击查看更多连接状态 - 故障说明】

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2.2.3 配置寄存器

  ModScan32支持设置寄存器：
双击某个寄存器，可以设置其信息：

2.2.4 主从交互

双击某个寄存器，修改“值”数据，点击“更新”，从机数据也更新：

从机数据也会更新：

2.2.5 窗口配置

可以在窗口里直接配置，也可以点击"配置"->“数据定义”，在弹窗中进行配置。
扫描速率：配置当前窗口报文发送的周期间隔。

2.2.6 窗口状态显示

• Number of Polls：表示当前已发送的指令数量
• Valid Slave Responses：表示目标从机回复的指令数量
• 红色字样表示当前故障状态，详见以下故障说明。
  
  数据区***上方会显示通讯状态，红色字样表示故障状态，如下图所示：
  
  常见的故障状态有：
  * Device NOT CONNECTED！ ：表示当前未连接。
  * Data Uninitialized！ ：表示当前窗口未进行配置。
  * MODBUS Message TIME-OUT！ ：表示发送指令后从设备超时未响应。而从机设备不回复，可能性有很多，比如：
  1、连接配置错误，主机的波特率、Slave ID等信息跟从机设备对应不上，从机就不会回。
  2、线路异常，电脑跟从机设备之前的通信线存在异常，也是无法正常收到回复。
  3、从机设备解析异常不回复，这个具体可以查看Modbus协议详解。
  * Checksum Error in Response Message！：响应的数据校验错误。
  * MODBUS Exception Response from Slave Device！ ：地址异常，一般是当访问的从机设备不存在要读取的寄存器/线圈地址时，会返回不存在此地址的02异常码，软件接收到此指令时就会报出这个错误。

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2.2.7 设置数据格式

点击"配置"->"显示选项"->"二进制"/"十进制"……，选择对应的数据制式（数据流里的数据也会有变化）。

2.2.8 显示原始报文

点击"配置"->“显示选项”->“显示数据流”，可以切换查看当前的收发数据，其中白底的是软件发送的，黑底是从设备回复的。

2.2.9 使用注意

1. 这个工具上的一些时间设置，当时间设置较短时，可能不准。比如以前试过把每一帧的发送间隔时间调成1ms，但实际用示波器抓到的数据，间隔大概100ms左右，基本低于100ms的都实现不了。这个可能跟电脑本身性能有关系，所以要注意不要太过于相信这里面的时间设置，最好以实际的为主。
2. 因为这个软件是在window系统上运行的，当系统卡顿时，可能会影响软件的运行，表现出来就是查看的报文有异常。Modbus Slave或其他串口调试工具也会有类似的问题。

2.2.10 完成模拟

1. 模拟完成后，断开连接:
   点击：连接设置（Connection）-> 断开连接（Disconnect），点击对应的协议端口断开。
2. ModsCAN配置可以保存在文件中，以免进行复杂的模拟时，每次打开Modscan都需要逐个重新配置。
   编辑完成后，点击 保存图标，自定义文件名，选择合适的位置存储。
   
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2.3 虚拟串口工具VSPD(Virtual Serial Port Driver)

  串口是基于硬件的物理设备，一般用于计算机和现场控制器、控制器与控制器、控制器与仪表等设备之间的通讯和数据交换，但工业设备一般都安装在工业现场，需要到现场才可以进行调试。
  上位机调试串口时，有时是没有硬件设备的，只能虚拟串口,为了验证程序的正确性，在进行实际调试前可以使用虚拟串口工具进行一些模拟和测试。
  vspd 一次虚拟2个串口，一个读，一个发，然后连接起来实现自发自收调试，让你的程序读一个串口，另外一个串口你就用来串口调试工具。
下载VSPD：VSPD6.9

2.3.1 VSPD安装

  解压缩后，右键单击VSPD.exe，选择以管理员身份运行，选择默认语言English（暂无中文版），选择安装路径（需要记住安装路径，后续步骤要用）。

安装完成后，复制解压缩目录/Cracked下的vspdctl.dll文件,并粘贴到前面的安装文件夹下，覆盖目标文件即可完成安装。

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2.3.2 VSPD使用

  VSPD可以成对创建相互连通的虚拟串口。两个串口分别用来模拟相互连接的串口设备（例如，一个串口模拟主站，另一个模拟从站）。

2.3.2.1 添加虚拟串口

这里以COM3和COM4为一对虚拟串口为例：

1. 首先添加端口映射，在VSPD中选择确认虚拟串口的名称并选择Add pair以成对添加串口。
   
2. 添加完成后在VSPD中可以看到虚拟串口（virtual ports下，设备的物理串口列举在Physical ports下），在Windows的设备管理器中也能看到Virtual ports虚拟串口。
   

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2.3.2.2 删除虚拟串口

  虚拟串口（virtual ports下，设备的物理串口列举在Physical ports下），在Windows的设备管理器中也能看到Virtual ports虚拟串口。

  如果要删除虚拟窗口，点击左侧虚拟串口链表里的串口，右侧会出现delete选项，点击delete pair进行删除：

注意：在卸载VSPD前，务必通过Delete ports删除虚拟串口。

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三、串口调试方法和步骤实例

  本例在同一台电脑中运行、模拟采用了Modbus协议的设备的数据收发过程。本例以COM3和COM4为一对虚拟串口为例，将ModSim32创建的虚拟设备连接到COM4，步骤如下：

3.1 通过VSPD创建的成对串口COM3和COM4

点击进入查看如何通过VSPD创建的成对串口COM3和COM4

3.2 ModSim32创建的虚拟设备连接到COM4

  需要特别注意的是，Modsim32每个文件仅能同时模拟一个寄存器范围，例如，要同时模拟一个Modbus设备的01线圈和03保持寄存器，需要新建两个设备并进行配置。

1. 新建两个虚拟设备文件：本例新建了设备id为1和2两台虚拟设备
   
2. 虚拟设备连接到COM4串口，输入串口的波特率等参数。
   

连接成功：

3. 设置寄存器值：

3.3 modscan与Modsim32进行通讯

1. 通过modscan新建模拟文件，配置要访问的从站设备id地址与寄存器范围：
   

2. 连接并配置串口参数，与Modsim32进行通讯，连接成对串口的另一个(COM3)，并保证两个串口参数一致。
   
   

3. 连接完成后，Modscan32就可以与前节的Modsim32创建的modbus设备进行通讯了。
   
     如果要修改某个线圈或者寄存器地址，只要双击该地址并进行设置即可，在Modscan中修改后，在Modsim中可以看到修改后的参数值。
   
   

4. 退出Modscan32前，需要先断开连接。

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四、采集异常问题排除

  在实际开发、应用中，如果没有采集到数据，需要判断是哪里出的问题，可以通过以下步骤进行排查：

• 一、 moscan连接测试：
  新建moscan设备，配置对应的属性信息，通过连接设置判断是否能正常连通。
  点击查看如何进行modscan连接测试
• 二、 网络及端口是否连通：

1. ping IP地址**
   （1）能成功ping通网络，说明不是网络问题
   
   （2）ping不同，说明网络存在故障
   
2. 查验端口是否开放：

• cmd窗口输入：telnet IP地址 端口号

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