Modbus通讯协议详解与Modbus TCP通信概述.docx

ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。MOdBUS网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。了解Modbus通讯协议是怎么回事，在现场就可以用各种第三方的小软件做通讯测试了。ModbUS协议包括ASClI、RTU>TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的ModbusoModbus的ASCIkRTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，MaSter端发出数据请求消息，SlaVe端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。ModbUS协议需要对数据进行校验,串行协议中除有奇偶校验外,ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，ModbUS采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某SlaVe站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，MOdbUS协议的可靠性较好。对于Modbus的ASClkRTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。1通讯传送方式：通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与ModBusRTU通讯规约相兼容：初始结构=24字节的时间地址码=1字节功能码=1字节数据区=N字节错误校检=16位CRC码结束结构=4字节的时I可地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。功能码：通讯传送的第二个字节。MOdBUS通讯规约定义功能号为1到127o本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为1（比如功能码大与此同时127）,则表明从机没有响应操作或发送出错。数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。CRC码：二字节的错误检测码。2通讯规约：当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务；然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错就不发送任何信息。1 .信息帧结构地址码功能码数据区错误校验码8位8位NX8位16位地址码：地址码是信息帧的第一字节（8位），从O到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表1-1列出的功能码都有具体的含义及操作。数据区：数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。错误校验码：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其它一些干扰，信息在传输过程中会发生细微的变化，错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。注：信息帧的格式都基本相同：地址码、功能码、数据区和错误校验码。2 .错误校验冗余循环码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的CRC码,比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。3Modbus支持的功能码:匕匕育功码名称作用1读取线圈状态取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF）2读取输入状态取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF）3读取保持寄存器在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值4读取输入寄存器在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值5强置单线圈强置一个逻辑线圈的通断状态6预置单寄存器把具体二进值装入一个保持寄存器7读取异常状态取得8个内部线圈的通断状态，这8个线圈的地址由控制器决定8回送诊断校把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴编程（只用于 484）使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑1011控询（只用于 484）读取事件计 数可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否已完成其操作任务，仅在含有功能码9的报文 发送后，本功能码才发送可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其 是该命令或其他应答产生通信错误时读取通信事可是主机检索每台从机的ModBus事务处理通信事件记 件记录 录。如果某项事务处理完成，记录会给出有关错误 编 程13（ 184/384可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑484 584）探询可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机14（ 184/384是否已完成其程序操作，仅在含有功能13的报文发送484 584） 后，本功能码才得发送15 强置多线圈强置一串连续逻辑线圈的通断16 2置多寄存 把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器 器17 报告从机标可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的识状态1819（884和 MICRO 84） 重置通信链 路可使主机模拟编程功能，修改Pe状态逻辑发生非可修改错误后，是从机复位于已知状态，可重置顺序字节读取通用参数（584L） 写入通用参 数（584L）22保留作扩展64 功能备用显示扩展存储器文件中的数据信息把通用参数写入扩展存储文件，或修改之657273119保留以备用户功能所用非法功能留作用户功能的扩展编码120127保留留作内部作用128255保留用于异常应答4功能码命令详解:在这些功能码中较长使用的是1、2、3、4、5、6号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。1、Ol号命令，读可读写数字量寄存器（线圈状态）：计算机发送命令：设备地址命令号01起始寄存器地址高8位低8位读取的寄存器数高8位低8位1CRC校验的低8位MCRC校验的高8位111HO1JOOJ131OO25ICRC低CRC高意义如下：<1>设备地址：在一个485总线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和17号（十进制的17是十六进制的11）通讯。<2>命令号01：读取数字量的命令号固定为01。<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的开关量的起始地址（起始地址为0）比如例子中的起始地址为19。<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为37个开关量。<5>CRC校验：是从开头一直校验到此之前。设备响应：设备地址命令号01返回的字节个数数据1数据2.数据nCRC校验的高8位CRC校验的低8位IllnIJHII“山1】IInJ例：11O1O5CD6BB2OE1BCRC高CRC低意义如下：<1>设备地址和命令号和上面的相同。<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1,2.n中的n的值。<3>数据L.n：由于每一个数据是一个8位的数，所以每一个数据表示8个开关量的值，每一位为。表示对应的开关断开，为1表示闭合。比如例子中，表示20号（索引号为19）开关闭合，21号断开，22闭合，23闭合，24断开，25断开，26闭合，27闭合如果询问的开关量不是8的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0。<4>CRC校验同上。2、05号命令，写数字量（线圈状态）：计算机发送命令:设备地址命令号05需下置的寄存器地址高8位低8位下置的数据高8位低8位CRC校验的低8位CRC校验的高8位IllnIJHII“山1】IInJJ:11O5OOIACJFFOOJCRCiCRC低意义如下：<1>设备地址和上面的相同。<2>命令号:写数字量的命令号固定为05o<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的开关的地址。<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的开关量的状态。例子中为把该开关闭合。注意，此处只可以是FFOO表示闭合0000表示断开，其他数值非法。<5>注意此命令一条只能下置一个开关量的状态。设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。3、03号命令，读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：计算机发送命令：设备地址命令号03”起始寄存器地址高8位低8位读取的寄存器数高8位低8位1CRC校验的高8位MCRC校验的低8位IInlJHH“由bll】h例：ll03006B0003CRC高CRC低意义如下：< 1>设备地址和上面的相同。< 2>命令号:读模拟量的命令号固定为03o< 3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的模拟量的起始地址（起始地址为0）比如例子中的起始地址为107。< 4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个模拟量。例子中为3个模拟量。注意，在返回的信息中一个模拟量需要返回两个字节。设备响应：设备地址”命令号03返回的字节个数数据1数据2.数据nJCRC校验的高8位CRC校验的低8位IInlJHH“由bl例：1l0306022B00000064CRC高CRC低意义如下：< 1>设备地址和命令号和上面的相同。<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1,2.n中的n的值。例子中返回了3个模拟量的数据，因为一个模拟量需要2个字节所以共6个字节。<3>数据l.n:其中数据1数据2分别是第1个模拟量的高8位和低8位,数据3数据4是第2个模拟量的高8位和低8位，以此类推。例子中返回的值分别是555,0,IOOo<4>CRC校验同上。4、06号命令，写单个模拟量寄存器（保持寄存器）：计算机发送命令:设备地址命令号06需下置的寄存器地址高8位低8位下置的数据高8位低8位CRC校验的高8位CRC校验的低8位IlnIJH山Wibllni例：ll0600010003CRC高HCRC低意义如下：< 1>设备地址和上面的相同。< 2>命令号:写模拟量的命令号固定为06o< 3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模拟量寄存器的地址。< 4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为3。<5>注意此命令一条只能下置一个模拟量的状态。设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。5、16号命令，写多个模拟量寄存器（保持寄存器）：计算机发送命令:设备地址命令号16需下置的寄存器地址高8位低8位数据数量高8位数据数量低8位下置的数据高8位低8位ICRC校验的高8位CRC校验的低8位例：ll16000100010005CRC高CRC低意义如下：<1>设备地址和上面的相同。<2>命令号:写模拟量的命令号固定为16o<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模拟量寄存器的地址。<4>需下置的数据数量高8位，低8位：表明了需要下置的数据数量，这里为Io<5>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为5。设备响应：如果成功把计算机返回的如下命令，否则不响应。设备响应:设备地址H命令号16需下置的寄存器地址高8位“低8位数据数量高8位数据数量低8位CRC校验的高8位1CRC校验的低8位,如上例返回：ll1600010001CRC高HCRC低ModbusTCP通信概述MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品，显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MoDBUS报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLeS,I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。MODBUS/TCP使MODBUS-RTU协议运行于以太网，MODBUSTCP使用TCP/IP和以太网在站点间传送MODBUS报文，MODBUSTCP结合了以太网物理网络和网络标准TCP/IP以及以MODBUS作为应用协议标准的数据表示方法。MODBUSTCP通信报文被封装于以太网TCP/IP数据包中。与传统的串口方式,MoDBUSTCP插入一个标准的MODBUS报文到TCP报文中，不再带有数据校验和地址。1. 通讯所使用的以太网参考模型ModbusTCP传输过程中使用了TCP/IP以太网参考模型的5层：第一层：物理层，提供设备物理接口，与市售介质/网络适配器相兼容第二层：数据链路层，格式化信号到源/目硬件址数据帧第三层：网络层，实现带有32位IP址IP报文包第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度第五层：应用层，MOdbUS协议报文2. ModbusTCP数据帧Modbus数据在TCP/IP以太网上传输,支持EthernetII和802.3两种帧格式,ModbusTCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分，MBAP报文头（MBAP、ModbusApplicationProtocol>Modbus应用协议）分4个域，共7个字节，如图1所示：AppcaonData Unrt (ADU)ProtocolDaU Unrt (PDU)ProtocolMentifterTransacttooIdentifierLengtnF¼1ModbusFrane Witn TCPP TrarwnnsenCONSTRUCTIONOF AMODBUS TCP DATA PACKETModbusTCPrtP ADU(7Btes>UnitIDFunctKMlCode(2Bytes)(2Bytes) (2 Bytes )(1Byte) <1 Byte)图1：MODBUSTCP报文由于使用以太网TCP/IP数据链路层的校验机制而保证了数据的完整性，MODBUSTCP报文中不再带有数据校验”CHECKSUM”，原有报文中的“ADDRESS”也被“UNITID”替代而加在MODBUS应用协议报文头中。3. ModbusTCP使用的通讯资源端口号在Modbus服务器中按缺省协议使用Port502通信端口，在Modbus客户器程序中设置任意通信端口，为避免与其他通讯协议的冲突一般建议2000开始可以使用。4. ModbusTCP使用的功能代码按照使用的通途区分，共有3种类型分别为：1)公共功能代码：已定义好功能码，保证其唯一性，由ModbUS.org认可；2)用户自定义功能代码有两组，分别为6572和100110,无需认可，但不保证代码使用唯一性,如变为公共代码，需交RFC认可；3)保留功能代码，由某些公司使用某些传统设备代码，不可作为公共用途。按照应用深浅，可分为3个类别：1)类别0,客户机/服务器最小可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。2)类别1,可实现基本互易操作常用代码:读线圈(fc.l)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。3)类别2,用于人机界面、监控系统例行操作和数据传送功能：强制多个线圈(fc.l5);读通用寄存器(fc.20);写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。5. ModbusTCP通讯应用举例在读寄存器的过程中，以MOdbUSTCP请求报文为例,具体的数据传输过程如下：1) ModbusTCP客户端实况，用COnneCt()命令建立目标设备TCP502端口连接数据通信过程；2)准备MOdbUS报文，包括7个字节MBAP内请求；3)使用Sendo命令发送；4)同一连接等待应答；5)同recv()读报文，完成一次数据交换过程；6)当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。