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ModbusTCP通信协议分析

2024-09-30 17:00:04极客资料围观26

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前言

大家好!我是付工。前面给大家介绍了一系列关于RS485与Modbus的知识。

终于有人把RS485说清楚了

终于有人把Modbus说明白了

通透!终于把ModbusRTU弄明白了

今天跟大家聊聊关于ModbusTCP协议的那些事。

一、发展历史

ModbusTCP是一种基于以太网的通信协议.ModbusTCP协议由施耐德公司在1996年推出,它继承了ModbusRTU协议的核心功能,但主要通过TCP/IP以太网进行数据传输,实现了设备之间的主从式通信。

在实际应用中,针对串口ModbusRTU,我们通过采用主站/从站的说明双方的角色,对于ModbusTCP,我们通过使用服务器/客户端来定义双方的角色。

二、通用格式

学习通信协议,首先要弄清楚通用报文格式。我们首先来分析一下ModbusTCP与ModbusRTU的区别:

我们可以看出,ModbusTCP在Modbus串行通信的基础上,去除了差错校验和附加地址(即从站地址),然后加上MBAP报文头(7 Bytes)。

1. ModbusTCP协议一般用 于TCP或UDP通信,而TCP和UDP本身就具备数据校验,因此不需要再加校验了。

2、ModbusTCP主要用于以太网通信,因此,不再需要通过附加地址(即从站地址) 来区分不同的设备,因为以太网设备一般会使用IP地址来区分。

因此,我们只需要了解MBAP报文头即可,因为功能码和数据部分与ModbusRTU协议是一样的,下面主要针对MBAP报文头进行分析说明。

长度 描述 客户机 服务器
事务处理标识符 2字节 Modbus请求/响应的识别码 客户机启动 复位响应
协议标识符 2字节 0=Modbus协议 客户机启动 复位响应
长度 2字节 后续字节的数量 客户机启动 服务器启动
单元标识符 1字节 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码 客户机启动 复位响应

【1】事务处理标识符:事务处理标识符可以理解为报文的编号,服务器会复制客户端 的事务处理标识符进行响应,因此事务处理标识符并没有实际意义,一般情况下我们会使用ID自增的方式,事务处理标识符占用2个字节长度。

【2】协议标识符:协议标识符设计时是为了区分不同的协议,但是在实际应用中,只有一个协议Modbus协议,用0来表示,协议标识符占用2个字节长度,所以协议标识符是固定值0x00 0x00。

【3】长度:长度表示它后面有多少个字节,即单元标识符、功能码、数据这三个部分 的字节个数,长度占用2个字节长度。

【4】单元标识符:单元标识符与从站地址是相似的,因为ModbusTCP去除了从站地址, 所以在MBAP报文头中加入单元标识符,防止有些场合需要通过一个标识来区别不同的子设备,比如一个串口服务器下挂了多个串口设备,那么就需要单元标识符来区别不同的串口设备,实际应用中单元标识符的值由服务器决定。

综合来看,ModbusTCP协议的通用报文格式如下所示:

事务处理标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 数据
2 bytes 2 bytes 2 bytes 1 byte 1 byte N bytes

下面针对常用的几个功能码进行详细讲解。

三、读取输出线圈

读取输出线圈发送报文格式如下:

我们来分析一下这段发送报文:

【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。

【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。

【4】功能码:0x01表示读取的是输出线圈存储区。

【5】起始地址:十六进制0x00 0x13对应十进制为19,表示从19号线圈开始读取,这个 19对应的Modbus地址为00020。

【6】线圈数量:十六进制 0x00 0x1B对应十进制的27,表示读取线圈数量为27。

这段发送报文表示的含义是客户端想要读取服务器输出线圈存储区,Modbus地址从 00020-00046,共27个线圈的状态值。

当服务器收到这段报文后,响应报文如下:

我们再来分析一下这段响应报文:

【1】事务/协议:事务标识符服务器是复制发送报文的,是固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是7个字节,因此长度是0x00 0x07。

【3】单元标识符:单元标识符与发送报文一致。

【4】功能码:0x01表示这帧报文响应的是0x01功能码的报文。

【5】字节计数:0x04表示返回的数据总共有4个字节。

【6】字节1至字节4:返回的具体数据分别为0xCD、0x6B、0xB2、0x05,这4个字节对 应32个线圈值,前面的27个线圈值即对应00020-00046的值。

客户端收到响应报文便获取到了自己要的数据,具体对应关系如下: 0xCD=1100 1101 对应 00027-00020 0x6B=0110 1011 对应 00035-00028 0xB2=1011 0010 对应 00043-00036 0x05=0000 0101 对应 00051-00044至此,就完成了一次Modbus通信交互。

至于读取输入线圈,与读取输出线圈几乎一致,唯一的区别就是功能码从0x01变成了0x02,这里就不做过多赘述了。

四、读取保持型寄存器

读取保持型寄存器发送报文格式如下:

这个与读取输出线圈是相似的,只不过这里的起始地址是寄存器地址。

我们来分析一下这段发送报文:

【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。

【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。

【4】功能码:0x03表示读取的是保持型寄存器存储区。

【5】起始地址:十六进制0x00 0x6B对应十进制为107,表示从107号寄存器开始读取, 这个107对应的Modbus地址为40108。

【6】寄存器数量:0x00 0x02对应十进制的2,表示读取寄存器数量为2。

客户端发送这段报文是想要读取服务器保持型寄存器存储区,Modbus地址 从40108-40109,共2个寄存器的数据值。

服务器响应报文格式如下:

我们再来分析一下这段响应报文:

【1】事务/协议:事务标识符服务器是复制发送报文的,是固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是7个字节,因此长度是0x00 0x07。

【3】单元标识符:单元标识符与发送报文一致。

【4】功能码:0x03表示这帧报文响应的是0x03功能码的报文。

【5】字节计数:0x04表示返回的数据总共有4个字节。

【6】字节1至字节4:返回的具体数据分别为0x00、0xC8、0x01、0x2C,这4个字节对 应2个保持型寄存器的值,即对应40108-40109的值。

客户端收到响应报文便获取到了自己要的数据,具体对应关系如下:

0x00 0xC8对应40108的值,16进制的0x00 0xC8对应十进制的200

0x01 0x2C对应40109的值,16进制的0x01 0x2C对应十进制的300

读取输入寄存器,与读取保持型寄存器报文格式几乎一致,唯一的区别就是功能码从0x03变成了0x04,这里就不做过多赘述了。

五、预置单线圈

我们对0x05功能码预置单线圈进行说明,发送报文格式如下:

我们来分析一下这段发送报文:

【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。

【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。

【4】功能码:0x05表示写入单个输出线圈。

【5】线圈地址:十六进制0x00 0x1A对应十进制为26,表示写入26号线圈,这个26对 应的Modbus地址为00027。

【6】断通标志:0xFF 0x00表示置位,就是将该线圈状态设置为True。这段发送报文表示的含义是客户端想要将服务器输出线圈存储区,Modbus地址00027这个线圈置为True。

接收报文格式如下:

预置单线圈接收报文与发送报文一致,原报文返回。

六、预置单寄存器

我们对0x06功能码预置单寄存器进行说明,发送报文格式如下:

我们来分析一下这段发送报文:【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。 【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。 【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。 【4】功能码:0x06表示写入单个保持型寄存器。 【5】寄存器地址:十六进制0x00 0x10对应十进制为16,表示写入16号寄存器,这个16 对应的Modbus地址为40017。 【6】写入值:16进制0x03 0x00对应十进制768,就是将该寄存器的值设置为768。这段发送报文表示的含义是主站想要将1号从站保持型寄存器存储区,Modbus地址 40017这个寄存器的值修改为768。接收报文格式如下:

预置单寄存器接收报文与发送报文一致,原报文返回。

七、预置多线圈

0x0F功能码预置多线圈发送报文格式如下:

我们来分析一下这段发送报文:

【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。

【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。

【4】功能码:0x0F表示写入多个输出线圈。

【5】起始地址:十六进制0x00 0x13对应十进制为19,表示从19号线圈开始写入,这个 19对应的Modbus地址为00020。

【6】数量:十六进制0x00 0x0A对应十进制为10,表示连续写入10个线圈,Modbus地 址从00020到00029。

【7】写入值:0x0F 0x03表示写入的两个字节,第一个字节对应前8个线圈,第二个字节 对应后面的线圈。这段发送报文表示客户端想要对服务器输出线圈存储区,从Modbus地址 00020开始的10个线圈值进行修改,0x0F对应二进制00001111,对应前8个线圈,就是将00020-00027写入11110000,0x03对应二进制00000011,对应后面的线圈,也就是将00028-00029写入11。

接收报文格式如下:

预置多输出线圈接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。

八、预置多寄存器

0x10功能码预置多寄存器发送报文格式如下:

我们来分析一下这段发送报文:

【1】事务/协议:事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。

【2】长度:单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节,因此长度是0x00 0x06。

【3】单元标识符:单元标识符默认是0x01。

【4】功能码:0x10表示写入多个保持型寄存器。

【5】起始地址:十六进制0x00 0x10对应十进制为16,表示从16号寄存器开始写入,这 个16对应的Modbus地址为40017。

【6】数量:十六进制0x00 0x02对应十进制为2,表示连续写入2个寄存器,Modbus地 址从40017到40018。

【7】字节数:0x04表示4个字节,因为1个寄存器对应2个字节,2个寄存器对应4个字节。

【8】写入值:0x01 0x0A 0x01 0x10表示写入的4个字节,前2个字节对应第1个寄存器, 后二个字节对应第二个寄存器。这段发送报文表示的含义是客户端想要对服务器1号从站保持型存储区,从Modbus地址40017 开始的2个寄存器值进行修改,0x01 0x0A对应十进制266,对应第1个寄存器,也就是 将40017写入266,0x01 0x10对应十进制272,对应第2个寄存器,也就是将40018写入272。

接收报文格式如下:

预置多寄存器接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。


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