【实用篇】ModbusTCP协议详解

【导读】【视频+图文】详解ModbusTCP协议。

概述

Modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议：ModbusTCP。Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。

（视频：先来了解什么是Modbus通讯？）

A

Modbus TCP数据帧

ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。

（一）报文头MBAP：MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

（二）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。

（1）功能码：Modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

（2）根据对象的不同，Modbus的功能码有：

（3）说明更详细的表：

B

PDU详细结构

（1）0x01：读线圈：在从站中读1~2000个连续线圈状态，ON=1,OFF=0

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（一个地址的数据为1位）
• 如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0002的线圈数据，读0x0008位
  00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08
• 回：数据长度为0x01个字节，数据为0x01，第一个线圈为ON，其余为OFF
  00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

（2）0x05：写单个线圈：将从站中的一个输出写成ON或OFF，0xFF00请求输出为ON,0x000请求输出为OFF。

• 请求：MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）
• 如：将地址为0x0003的线圈设为ON
  00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00
• 回：写入成功
  00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

（3）0x0F：写多个线圈：将一个从站中的一个线圈序列的每个线圈都强制为ON或OFF，数据域中置1的位请求相应输出位ON，置0的位请求响应输出为OFF。

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L 字节长度 输出值H 输出值L
• 响应：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L

（4）0x02：读离散量输入：从一个从站中读1~2000个连续的离散量输入状态。

• 请求：MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 数据长度 数据（长度：9+ceil（数量/8））
• 如：从地址0x0000开始读0x0012个离散量输入
  00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12
• 回：数据长度为0x03个字节，数据为0x01 04 00，表示第一个离散量输入和第11个离散量输入为ON，其余为OFF
  00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00

（5）0x04：读输入寄存器：从一个远程设备中读1~2000个连续输入寄存器。

• 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（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)
• 如：读起始地址为0x0002，数量为0x0005的寄存器数据
  00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05
• 回：数据长度为0x0A，第一个寄存器的数据为0x0c，其余为0x00
  00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00

（6）0x03：读保持寄存器：从远程设备中读保持寄存器连续块的内容。

• 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（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 数据长度 寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)
• 如：起始地址是0x0000，寄存器数量是 0x0003
  00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
• 回：数据长度为0x06，第一个寄存器的数据为0x21，其余为0x00
  00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

（7）0x06：写单个保持寄存器：在一个远程设备中写一个保持寄存器。

• 请求：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）
• 响应：MBAP 功能码 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）
• 如：向地址是0x0000的寄存器写入数据0x000A
  00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A
• 回：写入成功
  00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

（8）0x10：写多个保持寄存器：在一个远程设备中写连续寄存器块（1~123个寄存器）。

• 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 字节长度 寄存器值（13+寄存器数量×2）
• 响应：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（共12字节）
• 如：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
  00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F

• 回：写入成功
  00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01

C

Modbus TCP示例报文

ModBusTcp与串行链路Modbus的数据域是一致的，具体数据域可以参考串行Modbus。这里给出几个ModbusTcp的链路解析说明，辅助新人分析报文。

D

Modbus TCP通信

（一）通信方式

Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在使用TCP通信时，主站为client端，主动建立连接；从站为server端，等待连接。

• 主站请求：功能码+数据
• 从站正常响应：请求功能码+响应数据
• 从站异常响应：异常功能码+异常码，其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1，异常码指示差错类型
• 需要超时管理机制，避免无期限的等待可能不出现的应答
• IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口号为502，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。

（二）通信过程

• connect 建立TCP连接
• 准备Modbus报文
• 使用send命令发送报文
• 在同一连接下等待应答
• 使用recv命令读取报文，完成一次数据交换
• 通信任务结束时，关闭TCP连接

E

仿真软件

• Modbus poll 和Modbus slave是一组Modbus仿真软件，可以实现Modbus RTU、TCP、串口仿真等。

• 仿真软件网址：https://modbustools.com/download.html

• 在ModbusTCP中，Modbus poll 作为客户端请求数据，Modbus slave 作为服务器端处理请求。

• 使用c语言编写客户端连接Modbus slave时，注意数据格式，一条指令一次性发出，否则连接会出错。

• 使用软件时，需要指定功能码，在setup->slave definition或者poll definition中进行设置。
  – slave ID：从站编号（事务标识符）
  – function：功能码，0x01对应线圈操作，0x02对应离散量操作，0x03对应保持寄存器操作，0x04对应输入寄存器操作
  – address：开始地址
  – quantity：寄存器/线圈/离散量 的数量