modbus协议及modbus TCP协议

一、Modbus协议
  • 1.起源

Modbus由Modicon公司于1979年开发,是一种工业现场总线协议标准

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,其中最著名的是Modbus RTU(通信效率最高,基于串口)、Modbus ASCII和Modbus TCP(基于以太网)三种

其中Modbus TCP是在施耐德收购Modicon后1997年发布的。

2.分类

1)Modbus RTU

运行在串口上的协议,采用二进制表现形式以及紧凑的数据结构,通信效率较高,应用比较广泛

2)Modbus ASCII

运行在串口上的协议,采用ASCII码进行传输,并且每个字节的开始和结束都有特殊字符作为标志,传输效率远远低于Modbus RTU,一般只有通讯量比较少时才会考虑它。

3)Modbus TCP

运行在以太网上的协议

3.优势:

免费、简单、容易使用

4.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

二、Modbus tcp协议

1.特点

1)采用主从问答式通信

(一个主机可以对应多个从机,可以发出请求采集数据,发出请求控制设备)

2)Modbus TCP是应用层协议,基于传输层的TCP进行通信的

3)Modbus TCP端口号默认502

2.组成

ModbusTcp协议包含三部分:报文头、功能码、数据        

modbus协议及modbus TCP协议_第1张图片

报文头7个字节,功能码1个字节,Modbus TCP/IP协议最大数据帧长度为260字节,最大252,(1 byte = 8 bit)

1)报文头

包含一个7字节报文头

modbus协议及modbus TCP协议_第2张图片

事物处理标识符:没有限制,主机按照啥发,从机按照什么回

协议标识符:为啥是4个0?写一个0行不行?每一位都是16进制数 一位十六进制由4位2进制组成,8位2进制为一个字节

长度:modbus协议及modbus TCP协议_第3张图片

单元标识符:从机id

注意:报文头包含内容个数顺序均不可调换

2)寄存器

Modbus TCP通过寄存器的方式存储数据。

一共有四种类型的寄存器,分别是:离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器

离散量和线圈其实就是位寄存器(每个寄存器数据占1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

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

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。 线圈寄存器支持读也支持写,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。

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。

2) 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

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

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 

3)功能码(16进制)

modbus协议及modbus TCP协议_第4张图片

寄存器PLC地址和寄存器的对应关系:

00001-09999 :线圈

10001-19999:离散量输入

30001-39999:输入寄存器

40001-49999:保持寄存器

点亮一个灯:05

读温湿度:04 03

具体协议分析:

实例分享 | ModbusTCP报文详解

modbus协议及modbus TCP协议_第5张图片

4)总结

读数据:

主机--》从机:

报文头--功能码--起始地址--数量

从机--》主机:

报文头(长度可能发生变化)--功能码(不变)--字节计数--数据

在读数据和写单个的时候,字节长度都是0x06( 一个字节的单元标识符,一个字节的功能码,两个字节的地址,两个字节的数据)

写数据:

写单个:

主机--》从机:

报文头--功能码--地址--数据/断通标志(保持寄存器:数据:线圈:断通标志)

从机--》主机:

原文返回

写多个:

主机--》从机:

报文头----功能码----起始地址----数量----字节计数----数据

从机--》主机:  

原文返回

5)练习

练习一

主机询问数据流

00 03 00 00 00 06 01 03 00 63 00 02

00 00:事务处理标识符 

00 00:协议标识符

00 06 :字节 长度

03:功能码(保持寄存器)

0063:起始地址:6*16+3=99,40100

0002:寄存器的数量  40100-40101

00 03 00 00 00 07 01 03 04 05 83 00 76

00 00:事务处理标识符

00 00:协议标识符

00 07:字节长度

03:功能码

04:字节计数

0583:40100寄存器的数据

0076:40101寄存器的数据

练习2

1.读传感器数据,读1个寄存器数据,写出主从数据收发协议。

00 00 00 00  00 06 01 03 00 60 00 01

00 00 00 00  00 05 01 03 02 00 62

  1. 写出控制IO设备开关的协议数据,操作1个线圈,置1。

线圈单个置零:0000 置一:FF00

00 00 00 00  00 06 01 05 00 60 FF 00

00 00 00 00  00 06 01 05 00 60 FF 00

  • 工具安装
    1. Modbus Salve/Poll

1)安装过程:软件默认安装

2)破解:点击connection-》connect,输入序列号(序列号在SN.txt)

3)使用

从机:

先设置,先打开salve端,

modbus协议及modbus TCP协议_第6张图片

modbus协议及modbus TCP协议_第7张图片

再连接:点击connection-》connect

modbus协议及modbus TCP协议_第8张图片

主机:

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modbus协议及modbus TCP协议_第11张图片

    1. 网络调试助手

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    1. Wireshark

捕获器选择:

windows如果连接有线网络,选择本地连接/以太网

     如果连接无线网络,选择WLAN

如果只是在本机上的通信,选择NPCAP Loopback apdater

或Adapter for loopback traffic capture

过滤条件:

过滤端口:tcp.port==502

过滤IP:ip.addr == 192.168.3.11(windows 的ip)

modbus协议及modbus TCP协议_第13张图片

  1. 练习

在虚拟机写程序实现poll端功能,编写客户端实现和Slave通信。

发送:发送Modbus TCP协议   03功能码

发送:uint8_t data[12]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x06,0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x02};

接收:recv

#include 
#include  // atoi
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    uint8_t data[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06,
                        0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x03};
    uint8_t buf[32] = {0};
    //1.创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket err");
        return -1;
    }

    //2.填充结构体
    struct sockaddr_in caddr;
    caddr.sin_family = AF_INET;
    caddr.sin_port = htons(502);
    caddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    //3.链接
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, sizeof(caddr)) < 0)
    {
        perror("connect err");
        return -1;
    }
    //4.发送
    send(sockfd, data, sizeof(data), 0);
    //5.接收
    recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
    for (int i = 0; i < buf[8]; i++)
        printf("%#x ", buf[9+i]);
    putchar(10);
    //6.关闭
    close(sockfd);
    return 0;
}

作业:

  1. 复习今天内容
  2. 完成05功能码  ,写一个线圈
  3. 封装函数。。

/*客户端创建代码 */
#include 
#include  /* See NOTES */
#include 
#include 
#include  /* superset of previous */
#include 
#include 
#include 
#include 
int sockfd;
uint8_t buf[32];
void writecoil(uint8_t *p, int addr, int num)
{
    p[7] = 0x05;
    p[8] = addr >> 8;   //寄存器高位
    p[9] = addr & 0xff; //寄存器低位
    if (num == 1)
    {
        p[10] = 0xff; //置1
    }
    else if (num == 0)
    {
        p[10] = 0x00; //置0
    }
    p[11] = 0x00;
    for (int j = 0; j < 12; j++)
    {
        printf("%#x ", *(p+j));
    }
    send(sockfd, p, 12, 0);
    recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
    for (int i = 0; i < 12; i++)
    {
        printf("%#x ", buf[i]);
    }
    putchar(10);
}
void readregster(uint8_t *p, int addr, int num)
{
    p[7] = 0x03;
    p[8] = addr >> 8;   //寄存器高位
    p[9] = addr & 0xff; //寄存器低位
    p[10] = num >> 8;   //数量高位
    p[11] = num & 0xff; //数量低位
    for (int j = 0; j < 12; j++)
    {
        printf("%#x ", *(p + j));
    }
    putchar(10);
    send(sockfd, p, 12, 0);
    recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);

    for (int i = 0; i < buf[8]; i++)
    {
        printf("%#x ", buf[9 + i]);
    }
    putchar(10);
}
void set_selve_id(uint8_t *p)
{
    p[6] = 0x01;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
    if (argc < 3)
    {
        printf("input err\n");
        return -1;
    }
    //创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket err.");
        return -1;
    }
    //填充结构体
    struct sockaddr_in caddr;
    caddr.sin_family = AF_INET;
    caddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    caddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    socklen_t len = sizeof(caddr);
    //链接
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, len) < 0)
    {
        perror("connect err.");
        return -1;
    }
    // uint8_t data[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x01, 0x00, 0x07, 0xFF, 0x00};
    // uint8_t data1[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x03};
    uint8_t data[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06};
    int th = sizeof(data);
    int addr = 0x0101;
    int num = 0x0000;
    set_selve_id(data);
    // readregster(data, 0, 2);
    writecoil(data, 6, 1);
    return 0;
}

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