Modbus TCP

Modbus

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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，支持串口，以太网多个版本，其中最著名的是 Modbus RTU、
Modbus ASCII 和 Modbus TCP 三种。Modbus TCP 是在施耐德收购 Modicon 后 1997 年发布的。

分类

1、Modbus RTU（Remote Terminal Unit）
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，通信效率高，应用广泛。
2、Modbus ASCII
运行在串口上的协议，采用 ASCII 码进行传输，并且在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，只有传输数据量较小时，才会考虑。
3、Modbus TCP
运行在以太网上的协议。

优势

免费、简单、容易使用。

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，都应用此协议。

通信

1、Modbus 采用主从问答式（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（可多个），每个 slave 设备都有唯一一个地址。

Modbus TCP

Modbus TCP 协议和 Modbus RTU 协议非常相似，只要把 RTU 协议中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 1 个 6，通信时通过 TCP/IP 网络协议发送出去即可。
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特点

1、见“Modbus ——> 通信”；

2、该协议是应用层的协议，基于传输层的 TCP协议进行通信；

3、Modbus TCP 默认接收报文的端口号为 502。

协议格式（报文头 + 功能码 + 数据）

Modbus TCP/IP 协议最大数据帧长度为 260 字节。报文格式如下：
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报文头

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功能码

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寄存器

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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。线圈寄存器支持读也支持写，写又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。
对应功能码：0x01 0x05 0x0f
离散输入寄存器，相当于线圈寄存器的只读模式，也是每个 bit 表示一个开关量，其开关量只能读取输入的开关信号，是不能写的。比如读取外部按键的按下还是松开。
对应功能码： 0x02
保持寄存器，单位不再是 bit 而是两个 byte，是可以存放具体的数据量的。比如设置时间年月日，不但可以写入也可以读出。该寄存器并可读写的，写也分为写单个保持寄存器和写多个保持寄存器。
对应功能码： 0x03 0x06 0x10
输入寄存器，和保持寄存器类似，但也只支持读而不能写。一个寄存器也是占据两个 byte 的空间。比如，通过读取输入寄存器获取现在的 AD 采集值。
对应功能码： 0x04

读数据

主机 ——>从机：
报文头 + 功能码 + 起始地址 + 数量
7 + 1 + 2 + 2 = 12
从机 ——>主机：
报文头 + 功能码 + 字节计数 + 数据
7 + 1 + 1 + n = 9 + n

0x01（读线圈状态）

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0x02（读离散输入状态）

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0x03（读保持寄存器）

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0x04（读输入寄存器）

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写单个

主机 ——>从机：
报文头 + 功能码 + 地址 + 断通标志 / 数据
7 + 1 + 2 + 2 = 12
从机 ——>主机：
原文返回

0x05（写单个线圈）

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0x06（写单个保持寄存器）

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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
7 + 1 + 2 + 2 + 1 + n = 13 + n
从机 ——>主机：
报文头 + 功能码 + 起始地址 + 数量
7 + 1 + 2 + 2 = 12

0x0F（写多个线圈）

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0x10（写多个保持寄存器）

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工具软件的安装与使用

Modbus poll

破解

点击 connection -> connect，输入序列号即可。

使用

先设置，后连接。
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Modbus slave

破解

点击 connection -> connect，输入序列号即可。

使用

先设置，后连接。
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网络调试助手

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Wireshark（Windows 版）

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捕获器选择：

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，可以选择 NPCAP Loopback apdater 
						   或 Adapter for loopback traffic capture。

过滤条件：

1、过滤端口：tcp.port == 502
2、过滤IP：ip.addr == Windows 的IP
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练习：

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。
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2、写出控制 IO 设备开关的协议数据，操作1个线圈，置1。
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3、在虚拟机编写客户端，实现 poll 端功能，和 Slave 通信，读保持寄存器的三个值。

    uint8_t hldreg[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x03, 
        												0x00, 0x00, 0x00, 0x03};
    send(sockfd, hldreg, sizeof(hldreg), 0);

    uint8_t buf[32] = {};
    recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
    
    for (int i = 0; i < buf[8]; i++)
        printf("%#x ", buf[9+i]);
    putchar(10);

运行结果如下：
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4、编写客户端程序，实现对 Slave 单个线圈的控制（置一）。

    uint8_t coil[12] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x05, 
        												0x00, 0x00, 0xff, 0x00};
    send(sockfd, coil, sizeof(coil), 0);

运行结果如下：
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5、封装函数：设置单元标识符（从机地址）

void set_slave_id(uint8_t *p, int slave_id){
    p[6] = slave_id;
}

6、封装函数：读保持寄存器

void read_hldreg(int addr, int num, uint8_t *hldreg, uint8_t *dest){
   
   hldreg[5] = 0x06;
   hldreg[7] = 0x03;
   hldreg[8] = addr >> 8;
   hldreg[9] = addr & 0xff;
   hldreg[10] = num >> 8;
   hldreg[11] = num & 0xff;

   send(sockfd, hldreg, 12, 0);			// 指针类型，不能 sizeof(hldreg)
   recv(sockfd, dest, 64, 0);				// 64 为数组 dest 的长度，sockfd 为全局变量
}