ModbusTCP协议
简介
Modbus由MODICON公司于1979年开发，是⼀种⼯业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太⽹TCP/IP的Modbus协议：ModbusTCP。
Modbus协议是⼀项应⽤层报⽂传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报⽂类型。
标准的Modbus协议物理层接⼝有RS232、RS422、RS485和以太⽹接⼝，采⽤master/slave⽅式通信。
ModbusTCP数据帧
ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。
报⽂头MBAP
MBAP为报⽂头，长度为7字节，组成如下：
事务处理标识协议标识长度单元标识符
2字节2字节2字节1字节
内容解释
事务处理标识可以理解为报⽂的序列号，⼀般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报⽂。
协议标识符00 00表⽰ModbusTCP协议。
长度表⽰接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符可以理解为设备地址。
帧结构PDU
PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。
功能码
Modbus的操作对象有四种：线圈、离散输⼊、保持寄存器、输⼊寄存器。
对象含义
线圈PLC的输出位，开关量，在Modbus中可读可写
离散量PLC的输⼊位，开关量，在Modbus中只读
输⼊寄存器PLC中只能从模拟量输⼊端改变的寄存器，在Modbus中只读
保持寄存器PLC中⽤于输出模拟量信号的寄存器，在Modbus中可读可写
根据对象的不同，Modbus的功能码有：
功能码含义
0x01读线圈
0x05写单个线圈
0x0F写多个线圈
0x02读离散量输⼊
0x04读输⼊寄存器
0x03读保持寄存器
0x06写单个保持寄存器
0x10写多个保持寄存器
说明更详细的表
代码中⽂名称英⽂名位操作/字操作操作数量
01读线圈状态READ COIL STATUS位操作单个或多个
02读离散输⼊状态READ INPUT STATUS位操作单个或多个
03读保持寄存器READ HOLDING REGISTER字操作单个或多个
04读输⼊寄存器READ INPUT REGISTER字操作单个或多个
05写线圈状态WRITE SINGLE COIL位操作单个
代码中⽂名称英⽂名位操作/字操作操作数量
06写单个保持寄存器WRITE SINGLE REGISTER字操作单个
15写多个线圈WRITE MULTIPLE COIL位操作多个
16写多个保持寄存器WRITE MULTIPLE REGISTER字操作多个
PDU详细结构
0x01：读线圈
在从站中读1~2000个连续线圈状态，ON=1,OFF=0
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）
响应：MBAP 功能码数据长度数据（⼀个地址的数据为1位）
如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0002的线圈数据，读0x0008位
00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08
回：数据长度为0x01个字节，数据为0x01，第⼀个线圈为ON，其余为OFF
00 01 00 00 00 04 01 01 01 01
0x05：写单个线圈
将从站中的⼀个输出写成ON或OFF，0xFF00请求输出为ON,0x000请求输出为OFF
请求：MBAP 功能码输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）
响应：MBAP 功能码输出地址H 输出地址L 输出值H 输出值L（共12字节）
如：将地址为0x0003的线圈设为ON
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00
回：写⼊成功
00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00
0x0F：写多个线圈
将⼀个从站中的⼀个线圈序列的每个线圈都强制为ON或OFF，数据域中置1的位请求相应输出位ON，置0的位请求响应输出为OFF 请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L 字节长度输出值H 输出值L
响应：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 输出数量H 输出数量L
0x02：读离散量输⼊
从⼀个从站中读1~2000个连续的离散量输⼊状态
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）
响应：MBAP 功能码数据长度数据（长度：9+ceil（数量/8））
如：从地址0x0000开始读0x0012个离散量输⼊
00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12
回：数据长度为0x03个字节，数据为0x01 04 00，表⽰第⼀个离散量输⼊和第11个离散量输⼊为ON，其余为OFF
00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00
0x04：读输⼊寄存器
从⼀个远程设备中读1~2000个连续输⼊寄存器
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
响应：MBAP 功能码数据长度寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)
如：读起始地址为0x0002，数量为0x0005的寄存器数据
00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05
回：数据长度为0x0A，第⼀个寄存器的数据为0x0c，其余为0x00
00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00
0x03：读保持寄存器
从远程设备中读保持寄存器连续块的内容
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
响应：MBAP 功能码数据长度寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)
如：起始地址是0x0000，寄存器数量是 0x0003
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
回：数据长度为0x06，第⼀个寄存器的数据为0x21，其余为0x00
00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00
0x06：写单个保持寄存器
在⼀个远程设备中写⼀个保持寄存器
请求：MBAP 功能码寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）
响应：MBAP 功能码寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字节）
如：向地址是0x0000的寄存器写⼊数据0x000A
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A
回：写⼊成功
00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A
0x10：写多个保持寄存器
在⼀个远程设备中写连续寄存器块（1~123个寄存器）
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L 字节长度寄存器值（13+寄存器数量×2）
响应：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
tcp ip协议是全工
如：向起始地址为0x0000，数量为0x0001的寄存器写⼊数据，数据长度为0x02，数据为0x000F
00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F
回：写⼊成功
00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01
Modbus TCP ⽰例报⽂
ModBusTcp与串⾏链路Modbus的数据域是⼀致的，具体数据域可以参考串⾏Modbus。这⾥给出⼏个ModbusTcp的链路解析说明，辅助新⼈分析报⽂。
功能码 0x10：写多个保持寄存器，上⾯2个图⽚都写错了
ModbusTCP通信
通信⽅式
Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有⼀个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在使⽤TCP通信时，主站为client端，主动建⽴连接；从站为server端，等待连接。
主站请求：功能码+数据
从站正常响应：请求功能码+响应数据
从站异常响应：异常功能码+异常码，其中异常功能码即将请求功能码的最⾼有效位置1，异常码指⽰差错类型
注意：需要超时管理机制，避免⽆期限的等待可能不出现的应答
IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联⽹编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端⼝号为502，这是⽬前在仪表与⾃动化⾏业中唯⼀分配到的端⼝号。
通信过程
1. connect 建⽴TCP连接
2. 准备Modbus报⽂
3. 使⽤send命令发送报⽂
4. 在同⼀连接下等待应答
5. 使⽤recv命令读取报⽂，完成⼀次数据交换
6. 通信任务结束时，关闭TCP连接
仿真软件
Modbus poll 和Modbus slave是⼀组Modbus仿真软件，可以实现Modbus RTU、TCP、串⼝仿真等。
仿真软件⽹址：
在ModbusTCP中，Modbus poll 作为客户端请求数据，Modbus slave 作为服务器端处理请求。
使⽤c语⾔编写客户端连接Modbus slave时，注意数据格式，⼀条指令⼀次性发出，否则连接会出错。
使⽤软件时，需要指定功能码，在setup->slave definition或者poll definition中进⾏设置。
– slave ID：从站编号（事务标识符）
– function：功能码，0x01对应线圈操作，0x02对应离散量操作，0x03对应保持寄存器操作，0x04对应输⼊寄存器操作
– address：开始地址
– quantity：寄存器/线圈/离散量的数量
⼀些概念
在⼯业⾃动化控制中，经常会遇到开关量，数字量，模拟量，离散量，脉冲量等各种概念，⽽⼈们在实际应⽤中，对于这些概念⼜很容易混淆。现将各种概念罗列如下：
1.开关量：
⼀般指的是触点的“开”与“关”的状态，⼀般在计算机设备中也会⽤“0”或“1”来表⽰开关量的状态。开关量
分为有源开关量信号和⽆源开关量信号，有源开关量信号指的是“开”与“关”的状态是带电源的信号，专业叫法为跃阶信号，可以理解为脉冲量，⼀般的都有220VAC, 
110VAC,24VDC,12VDC等信号，⽆源开关量信号指的是“开”和“关”的状态时不带电源的信号，⼀般⼜称之为⼲接点。电阻测试法为电阻0或⽆穷⼤。
2.数字量：
很多⼈会将数字量与开关量混淆，也将其与模拟量混淆。数字量在时间和数量上都是离散的物理量，其表⽰的信号则为数字信号。数字量是由0和1组成的信号，经过编码形成有规律的信号，量化后的模拟量就是数字量。
3.模拟量：
模拟量的概念与数字量相对应，但是经过量化之后⼜可以转化为数字量。模拟量是在时间和数量上都是连续的物理量，其表⽰的信号则为模拟信号。模拟量在连续的变化过程中任何⼀个取值都是⼀个具体有意义的物理量，如温度，电压，电流等。
4.离散量：
离散量是将模拟量离散化之后得到的物理量。即任何仪器设备对于模拟量都不可能有个完全精确的表⽰，因为他们都有⼀个采样周期，在该采样周期内，其物理量的数值都是不变的，⽽实际上的模拟量则是变化的。这样就将模拟量离散化，成为了离散量。
5.脉冲量：
脉冲量就是瞬间电压或电流由某⼀值跃变到另⼀值的信号量。在量化后，其变化持续有规律就是数字量，如果其由0变成某⼀固定值并保持不变，其就是开关量。
综上所述，模拟量就是在某个过程中时间和数量连续变化的物理量，由于在实际的应⽤中，所有的仪器设备对于外界数据的采集都有⼀个采样周期，其采集的数据只有在下⼀个采样周期开始时才有变动，采样周期内其数值并不随模拟量的变化⽽变动。
这样就将模拟量离散化了，例如：某设备的采样周期为1秒，其在第五秒的时间采集的温度为35度，⽽第六秒的温度为36度，该设备就只能标称第五秒时间温度35度，第六秒时间温度36度，⽽第五点五秒的时间其标称也只是35度，但是其实际的模拟量是
35.5度。这样就将模拟信号离散化。其采集的数据就是离散化了，不再是连续的模拟量信号。
由于计算机只识别0和1两个信号，即开关量信号，⽤其来表⽰数值都是使⽤数字串来表⽰，由于计算能
⼒的问题，其数字串不能⽆限长，即其表达的精度也是有限的，同样的以温度为例，由于数字串限制，其表达温度的精度只能达到0.1度，⼩于该单位的数值则不能被标称，这样就必须将离散量进⾏量化，将其变为数字量。即35.68度的温度则表⽰为35.6度。

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