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

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

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：

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）

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

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

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

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，

再连接：点击connection-》connect

主机：

1. 网络调试助手

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)

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 <stdio.h>
#include <stdlib.h> // atoi
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

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：

复习今天内容
完成05功能码，写一个线圈
封装函数。。

/*客户端创建代码 */
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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;
}