探索：Modbus TCP协议(应用层)

news2024/11/25 15:21:03

目录

一，Modbus起源

ModbusTCP协议格式

1,报文头

2,寄存器

3,功能码

练习：

工具软件使用

三方库的使用

【1】库的安装

1.库的安装配置

2.库的使用

【2】函数接口

【3】编程流程

代码实战

一，Modbus起源

  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、Modbus ASCII和Modbus TCP三种

     其中Modbus TCP是在施耐德收购Modicon后1997年发布的。

  1. 分类：

1）Modbus RTU：运行在串口上的协议，采用二进制表示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码传输，利用特殊字符作为字节开始和结束的标志，传输效率较低，只有在传输数据量较少的时候才会考虑它

3）Modbus TCP：运行在以太网上的协议

  1. 优势：

     免费、简单、容易使用

  1. 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

  1. Modbus TCP特点

1）采用主从问答方式进行通信

2）Modbus Tcp是应用层协议，基于传输层TCP协议实现

3）Modbus Tcp端口号默认502

ModbusTCP协议格式

ModbusTcp协议包含三部分：报文头、功能码、数据

Modbus TCP/IP协议最大数据帧长度为260字节

1,报文头

共7字节，分别是：

2,寄存器

包含四种寄存器，分别是线圈、离散量输入、保持寄存器、输入寄存器

  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。

对应上面的功能码也就是：0x01  0x05  0x0f

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。

所以功能码也简单就一个读的 0x02

  1. 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

所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10

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

对应的功能码也就一个 0x04

3,功能码

根据四种不同的寄存器设置了8种功能码

练习：

读传感器数据，读1个寄存器数据，写出主从数据收发协议。

主机给从机：

|-事务处理标识符|-协议类型-|-字节长度-|-从机ID-|-功能码-|-起始地址-|-寄存器个数-|

0x0000 0000 0006 01 03 0000 0001

从机给主机：

|-事务处理标识符|-协议类型-|-字节长度-|-从机ID-|-功能码-|-数据长度-|--数据--|

0x0000 0000 0005 01 03 02  0102

练习：写出控制IO设备开关的协议数据，操作1个线圈。

主机给从机：

|----------MBAP报文头----------|-功能码-|-起始地址-|-断通标志-|

0x0000  0x0000 0x0006 0x11   0x05     0x000b     0xFF00

从机回主机：

|----------MBAP报文头----------|-功能码-|-起始地址-|-断通标志-|

0x0000  0x0000 0x0006 0x11   0x05     0x000b     0xFF00

 

工具软件使用

  1. ModbusSlave/Poll
  1. 软件默认安装
  2. 破解

点击connection->connect，输入序列号即可

3）使用

先设置后连接

后连接（连接时注意先开启slave端(相当于服务器)，后起poll端(相当于客户端)）

查询主机ip:win + r 然后输入cmd 然后输入ipconfig   即可查询主机ip

  1. 网络调试助手

  1. Wireshark使用

安装使用wireshark时注意把杀毒软件和防火墙关闭

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 == 192.168.1.156（自己的ip地址）

 

三方库的使用

【1】库的安装

1.库的安装配置

1. 在linux中解压压缩包

将库压缩包复制到linux下，进行解压

tar -xvf libmodbus-3.1.7.tar.gz

  1. 进入源码目录，创建文件夹（存放头文件、库文件）

cd libmodbus-3.1.7

mkdir install

  1. 执行脚本configure，进行安装配置（指定安装目录）

./configure --prefix=$PWD/install

  1. 执行make和make install

make//编译

make install//安装

执行完成后会在install文件夹下生产对应的头文件、库文件件夹，install用于存放产生的头文件、库文件等

2.库的使用

要想编译方便，可以将头文件和库文件放到系统路径下

sudo  cp install/include/modbus/*.h  /usr/include 

sudo  cp install/lib/*  -r /lib -d

后期编译时，可以直接gcc xx.c -lmodbus

头文件默认搜索路径：/usr/include  、/usr/local/include

库文件默认搜索路径：/lib、/usr/lib

【2】函数接口

modbus_t*   modbus_new_tcp(const char *ip, int port)
功能：以TCP方式创建Modbus实例，并初始化
参数：
    ip   ：ip地址
    port：端口号
返回值：成功：Modbus实例
      失败：NULL
int modbus_set_slave(modbus_t *ctx, int slave)
功能：设置从机ID
参数：
    ctx   ：Modbus实例
    slave：从机ID
返回值：成功：0
       失败：-1
int   modbus_connect(modbus_t *ctx)
功能：和从机（slave）建立连接
参数：
    ctx：Modbus实例
返回值：成功：0
       失败：-1
void   modbus_free(modbus_t *ctx)
功能：释放Modbus实例
参数：ctx：Modbus实例
void   modbus_close(modbus_t *ctx)
功能：关闭套接字
参数：ctx：Modbus实例
int modbus_read_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
功能：读取线圈状态，可读取多个连续线圈的状态（对应功能码为0x01）
参数：
    ctx   ：Modbus实例
    addr ：寄存器起始地址
    nb    ：寄存器个数
    dest ：得到的状态值
int  modbus_read_input_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
功能：读取输入状态，可读取多个连续输入的状态（对应功能码为0x02）
参数：
    ctx   ：Modbus实例
    addr ：寄存器起始地址
    nb   ：寄存器个数
    dest ：得到的状态值
返回值：成功：返回nb的值
int  modbus_read_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
功能：读取保持寄存器的值，可读取多个连续保持寄存器的值（对应功能码为0x03）
参数：
    ctx   ：Modbus实例
    addr ：寄存器起始地址
    nb    ：寄存器个数
    dest ：得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数
       失败：-1
int   modbus_read_input_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
功能：读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）
参数：
    ctx   ：Modbus实例
    addr ：寄存器起始地址
    nb    ：寄存器个数
    dest ：得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数
       失败：-1
int  modbus_write_bit(modbus_t *ctx, int addr, int status);
功能：写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）
参数：
    ctx     ：Modbus实例
    addr  ：线圈地址
    status：线圈状态
返回值：成功：0
      失败：-1
int  modbus_write_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint8_t *src);
功能：写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）
参数：
    ctx     ：Modbus实例
    addr  ：线圈地址
    nb     ：线圈个数
    src    ：多个线圈状态
返回值：成功：0
      失败：-1
int  modbus_write_register(modbus_t *ctx, int addr, int value);
功能：  写入单个寄存器（对应功能码为0x06）
参数： 
    ctx    ：Modbus实例
    addr  ：寄存器地址
    value ：寄存器的值 
返回值：成功：0
       失败：-1
int  modbus_write_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint16_t *src);
功能：写入多个连续寄存器（对应功能码为16）
参数：
    ctx    ：Modbus实例
    addr  ：寄存器地址
    nb     ：寄存器的个数
    src    ：多个寄存器的值 
返回值：成功：0
      失败：-1

【3】编程流程

  1. 创建实例

modbus_new_tcp

  1. 设置从机ID

modbus_set_slave

  1. 和从机进行连接

modbus_connect

  1. 寄存器操作

功能码对应的函数

  1. 关闭套接字

modbus_close

  1. 释放实例

modbus_free

代码实战

任务：编程实现采集传感器数据和控制硬件设备（传感器和硬件通过slave模拟）

// 1.任务：编程实现采集传感器数据和控制硬件设备（传感器和硬件通过slave模拟）
// 	传感器：2个，光线传感器、加速度传感器（x\y\z）
// 	硬件设备：2个，led灯、蜂鸣器
// 要求：
// 1.多任务编程：多线程、多进程
// 2.循环1s采集一次数据，并将数据打印至终端
// 3.同时从终端输入指令控制硬件设备	
// 0  1 ：led灯打开
// 0  0：led灯关闭
// 1  1：蜂鸣器开
// 1 0 :  蜂鸣器关

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <modbus.h>
#include <pthread.h>

modbus_t *ctx;
uint16_t modbout_dest[128] = {};
void *mythread(void *arg)
{
    while (1)
        {
            modbus_read_registers(ctx, 0, 4, modbout_dest);
            for (int i = 0; i < 4; i++)
                {
                    if (i == 0)
                    {
                        printf("光线传感器:");
                        printf("%#x\n", modbout_dest[i]);
                    }
                    else if (i == 1)
                    {
                        printf("加速度传感器x:%#x\n", modbout_dest[i]);
                    }
                    else if (i == 2)
                    {
                        printf("加速度传感器y:%#x\n", modbout_dest[i]);
                    }
                    else if (i == 3)
                    {
                        printf("加速度传感器z:%#x\n", modbout_dest[i]);
                    }
                    putchar(10);
                    sleep(1);
                }
        }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{

    // if (argc != 3) //从终端输入ip和端口
    // {
    //     printf("please input %s <ip,port>\n", argv[0]);
    //     return -1;
    // }
    //1,创建实例
    //modbus_t *ctx = modbus_new_tcp(argv[1], atoi(argv[2]));
    modbus_t *ctx = modbus_new_tcp("192.168.196.1", 502);
    //2,设置从机ID
    modbus_set_slave(ctx, 1);
    //3,和主机进行连接
    modbus_connect(ctx);
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, mythread, NULL) != 0)
    {
        perror("pthread_create err");
        return -1;
    }
    pthread_detach(tid);

    //从终端输入
    printf("o1:led灯打开***00:led灯关闭***11:蜂鸣器开***10:蜂鸣器关");
    printf("请从终端输入指令控制硬件设备");

    while (1)
        {

            int a, b;
            while (1)
                {
                    scanf("%d", &a);
                    scanf("%d", &b);
                    if (a == 0 && b == 1)
                    {
                        printf("led灯打开");
                    }
                    else if (a == 0 && b == 0)
                    {
                        printf("led灯关闭");
                    }
                    else if (a == 1 && b == 1)
                    {
                        printf("蜂鸣器开");
                    }
                    else if (a == 1 && b == 0)
                    {
                        printf("蜂鸣器关");
                    }
                    modbus_write_bit(ctx, a, b);
                }
        }
    //6,释放Modbus实例
    modbus_free(ctx);
    //7,关闭套接字
    modbus_close(ctx);

    return 0;
}

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