解读Modbus TCP指令

news2024/12/14 0:14:01

解读Modbus TCP指令：[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

在Modbus TCP通信中，数据以字节流的形式传输。理解和解析这些字节对于调试和开发至关重要。本文将详细解析给定的Modbus TCP指令，解释每个字节的含义以及整个指令的作用。

一、指令整体结构

给定的指令为17个字节：

[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

按照Modbus TCP协议，数据帧通常由两个主要部分组成：

MBAP头（Modbus Application Protocol Header）：7个字节
PDU（Protocol Data Unit）：功能码及其相关数据

因此，我们可以将上述17个字节分为：

MBAP头：前7个字节 [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01]
PDU：后10个字节 [0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

二、MBAP头解析

MBAP头由7个字节组成，其结构如下：

字节序号	字段名称	长度	描述
0-1	事务标识符	2	用于匹配请求与响应的标识符
2-3	协议标识符	2	标识使用的协议，Modbus TCP为0x0000
4-5	长度字段	2	后续PDU部分的字节数，包括单元标识符
6	单元标识符	1	标识从设备的地址（类似于Modbus RTU的从地址）

1. 事务标识符（Transaction Identifier）

字节：0x01, 0x00
解释：将两个字节组合成一个16位的整数，采用大端字节序。
```
0x01 << 8 + 0x00 = 256
```
作用：客户端发送请求时生成一个唯一的事务标识符，服务器在响应中返回相同的标识符，用于匹配请求与响应。

2. 协议标识符（Protocol Identifier）

字节：0x00, 0x00
解释：固定为0x0000，表示使用的是Modbus协议。
```
0x00 << 8 + 0x00 = 0
```
作用：用于区分不同的协议，Modbus TCP始终为0。

3. 长度字段（Length Field）

字节：0x04, 0x06
解释：表示后续PDU部分的字节数，包括单元标识符。
```
长度 = 0x04 << 8 + 0x06 = 1030
```
注意：按照标准Modbus TCP协议，长度字段应该表示后续PDU部分的实际字节数。然而，本例中长度字段为1030，而实际PDU部分仅为10个字节，存在不一致性。这可能是由于数据错误或协议扩展导致的。

4. 单元标识符（Unit Identifier）

字节：0x01
解释：标识目标从设备的地址，类似于Modbus RTU中的从地址。
作用：在多从设备环境中，服务器根据单元标识符区分不同的从设备。

三、PDU解析

PDU部分包含功能码及其相关数据。本例中的PDU为10个字节：

[0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

1. 功能码（Function Code）

字节：0x10
解释：功能码0x10对应于写多个寄存器（Write Multiple Registers）。
作用：指示服务器执行写入多个保持寄存器的操作。

2. 数据部分解析

根据功能码0x10的定义，数据部分结构如下：

字节序号	字段名称	长度	描述
1-2	起始地址（Starting Address）	2	要写入的第一个寄存器地址
3-4	寄存器数量（Quantity of Registers）	2	要写入的寄存器数量
5	字节计数（Byte Count）	1	后续数据部分的字节数（每个寄存器2字节）
6-…	寄存器值（Register Values）	N*2	要写入的寄存器值，每个寄存器2字节

具体解析如下：

起始地址：
- 字节：0x00, 0xC8
- 计算：
```
0x00 << 8 + 0xC8 = 200
```
- 解释：从地址200开始写入寄存器。
寄存器数量：
- 字节：0x00, 0x02
- 计算：
```
0x00 << 8 + 0x02 = 2
```
- 解释：写入2个寄存器。
字节计数：
- 字节：0x04
- 计算：
```
4字节
```
- 解释：后续数据部分包含4个字节，表示2个寄存器的值（每个寄存器2字节）。
寄存器值：
- 字节：0x00, 0x01, 0x00, 0x01
- 解析：
  - 第一个寄存器值：0x00, 0x01 → 1
  - 第二个寄存器值：0x00, 0x01 → 1

3. 总结PDU内容

该PDU指令的具体含义为：

功能：写入多个保持寄存器
起始地址：200
寄存器数量：2
寄存器值：
- 地址200：写入值1
- 地址201：写入值1

四、指令作用总结

综合上述解析，该Modbus TCP指令的作用如下：

目标设备：单元标识符为1的从设备
操作类型：写入保持寄存器
写入内容：
- 从寄存器地址200开始，连续写入2个寄存器
- 写入的值均为1

注意事项：

长度字段不匹配：根据解析，MBAP头中的长度字段为1030，而实际PDU部分仅为10个字节。这可能导致服务器在解析时出现问题。应确认数据的正确性，确保长度字段与实际PDU长度一致。
- 正确的长度字段应为PDU部分的字节数，包括单元标识符：
```
PDU字节数 = 功能码（1） + 起始地址（2） + 寄存器数量（2） + 字节计数（1） + 寄存器值（4） = 10字节
Length Field = 10
```
  因此，长度字段应为0x000A（10），而不是0x0406（1030）。
字节序：Modbus TCP使用大端字节序（高位字节在前）。确保在编码和解码时保持一致。

五、实际应用示例

假设我们使用Python的pymodbus库来构建和解析上述指令，可以参考以下示例代码：

1. 构建Modbus TCP请求

from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient

# 创建客户端并连接到服务器
client = ModbusTcpClient('192.168.1.100', port=502)
connection = client.connect()
if connection:
    print("连接成功")

    # 构建写多个寄存器的请求
    starting_address = 200
    register_values = [1, 1]
    result = client.write_registers(address=starting_address, values=register_values, unit=1)
    
    if not result.isError():
        print("写入成功")
    else:
        print("写入失败:", result)

    # 关闭连接
    client.close()
else:
    print("连接失败")

2. 解析接收到的字节流

假设我们接收到上述字节流，可以使用以下代码进行解析：

def parse_modbus_tcp_message(message):
    if len(message) < 7:
        print("消息长度不足，无法解析MBAP头")
        return

    # 解析MBAP头
    transaction_id = (message[0] << 8) + message[1]
    protocol_id = (message[2] << 8) + message[3]
    length = (message[4] << 8) + message[5]
    unit_id = message[6]

    print(f"事务标识符: {transaction_id}")
    print(f"协议标识符: {protocol_id}")
    print(f"长度字段: {length}")
    print(f"单元标识符: {unit_id}")

    # 解析PDU
    if len(message) < 7 + (length -1):
        print("PDU部分长度不足")
        return

    pdu = message[7:7 + (length -1)]
    function_code = pdu[0]
    print(f"功能码: {function_code}")

    if function_code == 0x10:
        starting_address = (pdu[1] << 8) + pdu[2]
        quantity = (pdu[3] << 8) + pdu[4]
        byte_count = pdu[5]
        register_values = []
        for i in range(quantity):
            value = (pdu[6 + i*2] << 8) + pdu[7 + i*2]
            register_values.append(value)
        print(f"起始地址: {starting_address}")
        print(f"寄存器数量: {quantity}")
        print(f"字节计数: {byte_count}")
        print(f"寄存器值: {register_values}")
    else:
        print("未处理的功能码")

# 示例消息
message = [
    0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01,
    0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04,
    0x00, 0x01, 0x00, 0x01
]

parse_modbus_tcp_message(message)

输出：

事务标识符: 256
协议标识符: 0
长度字段: 1030
单元标识符: 1
功能码: 16
起始地址: 200
寄存器数量: 2
字节计数: 4
寄存器值: [1, 1]

注意：由于长度字段不匹配，实际解析过程中可能会导致错误或忽略部分数据。在实际应用中，应确保长度字段的正确性。

六、结语

通过以上解析，我们详细了解了给定的Modbus TCP指令的各个组成部分及其含义。理解Modbus TCP的帧结构对于开发和调试工业通信应用至关重要。在实际应用中，务必确保每个字段的正确性，特别是长度字段，以避免通信故障和数据错误。

如果在解析或构建Modbus TCP指令时遇到问题，建议使用网络抓包工具（如Wireshark）进行分析，或者参考相关协议文档以确保实现的准确性。

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