ModbusTCP協議簡介與程式設計流程圖

一杯清酒邀明月發表於2024-03-09
TCP協議程式設計流程圖

  本文主要目的是為了寫一個簡單的ModbusTCP伺服器-客戶端程式而記錄的知識點，裡面包含了程式設計所需要的必要背景知識和協議解析流程圖。

Modbus基本資料型別
  Modbus有四種基本資料型別：

  • 離散量輸入：客戶端只能讀取它，由伺服器提供，佔1個位元位，可以傳輸現實中的開關量輸入，比如接近開關的通斷資訊等。
  • 線圈：客戶端可以可寫入和讀取，伺服器根據客戶端的設定改變其值，佔1個位元位，可以控制現實中的繼電器的吸合與斷開。
  • 輸入暫存器：客戶端只能讀取它，最小單位是16位元字，它也可以傳輸8位資料。傳輸超過16位元資料的時候需要多個輸入暫存器，現實中的溫度，電壓等資料可透過輸入暫存器來傳輸。
  • 保持暫存器：客戶端可以寫入或者讀取，最小單位是16位元字，可以設定一些引數，以及現實中的電壓等物理量。

ModbusTCP資料格式
　　一個正常的ModbusTCP資料幀包括以下三部分：

  這三部分合稱為ADU，也就是應用資料單元，其中功能碼和資料合稱為PDU，也就是協議資料單元。ADU中的MBAP（MODBUS Application Protocol）是ModbusTCP特有的內容。PDU在所有Modbus中格式完全相同。
  ModbusTCP資料幀使用埠502傳送，埠502是網際網路組織專門為MODBUS-TCP協議保留的埠號。

MBAP報文頭格式：
  MBAP報文頭（MODBUS協議報文頭）共7個位元組，其含義如下：

  •   事務元識別符號：2位元組，由於客戶端可以同時傳送多條請求，為了區分伺服器響應的是哪條請求，客戶端在請求幀中使用計數器值填充此區域，伺服器可以在響應幀中返回相同的計數值供客戶端來區分請求。
  •   協議識別符號：2位元組，保持為0，表示是MODBUS協議
  • 長度：2位元組，後續位元組數
  •   單元識別符號：1位元組，對於需要轉發給序列鏈路的MODBUS裝置才有意義，一般無需考慮，寫0即可。

PDU格式
  由於不同功能碼對應著不同的資料格式，因此需要將功能碼和資料部分一起闡釋，我這裡只介紹我的程式將要涉及到的功能碼3和16。之所以只選擇了這兩個功能碼，是由於這兩個功能碼基本上就可以涵蓋資料採集相關的所有功能，寫多個暫存器可以設定採集引數、DA輸出、設定開關量輸出……讀多個暫存器可以讀取各種採集結果。

03 (0x03)讀保持暫存器

  每個暫存器的寬度是16位，2個位元組，由於是大端模式（Big-endian），因此高位元組在前，低位元組在後，其具體資料格式如下：
請求：

功能碼1個位元組3（0x03）
起始地址 2個位元組 0~65535（0xFFFFF）
暫存器數量 2個位元組 N=1~125（0x7D）
響應：
功能碼1個位元組3（0x03）
位元組數 1個位元組 N*2
暫存器值 N*2個位元組

舉例：
下列是請求讀地址偏移0一個暫存器的值,暫存器值是0
位元組序號(10進位制)：00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
傳送字元(16進位制)：00 00 00 00 00 06 00 03 00 00 00 01
接受字元(16進位制)：00 00 00 00 00 05 00 03 02 00 00

暫存器數量是受限於MODBUS-RTU的協議資料幀（PDU）長度不能超過252，PDU中的功能碼和位元組數佔用兩個位元組，因此（252-2）/2=125

讀保持暫存器流程圖

16 (0x10)寫保持暫存器
  寫保持暫存器是讀多個暫存器的反向操作，它可以與讀多個暫存器是同一個功能項的讀寫操作，也可以是不同功能項的單獨操作。例如在DA（數模轉換)中，使用寫多個暫存器設定DA輸出值，然後可以用讀多個暫存器返回之前設定的值。也可以相同的地址，返回AD（模數轉換）的採集值，這取決於實際應用。其具體格式如下：
請求：

功能碼1個位元組16（0x10）
起始地址 2個位元組 0~65535（0xFFFFF）
暫存器數量 2個位元組 N=1~123（0x7B）
位元組數 1個位元組 2*N
暫存器值 N*2個位元組 大端排列的值

PDU最大位元組數為252，減去功能碼，起始地址，暫存器數量，位元組數所佔用的6個位元組為246，因此暫存器數量最大為123。

響應：

功能碼1個位元組16（0x10）
起始地址 2個位元組 與請求起始地址相同
暫存器數量 2個位元組 N

舉例：
下列是請求寫地址偏移0一個暫存器的值,暫存器值是0
位元組序號(10進位制)：00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
傳送字元(16進位制)：00 00 00 00 00 09 00 10 00 00 00 01 02 00 00
接受字元(16進位制)：00 00 00 00 00 06 00 10 00 00 00 01

寫多個暫存器流程圖:

異常響應

  當請求失敗的時候，伺服器將會返回異常響應，異常響應幀會在功能碼的位置將原有功能碼+0x80，後面的資料是異常碼，其具體格式如下：
異常響應：

功能碼1個位元組0x80+請求功能碼
異常碼    1個位元組   常用異常碼：
01：不支援的功能碼
02：地址錯誤，起始地址+暫存器數量如果超範圍，也屬於地址錯誤
03：資料錯誤，這裡的資料還包括了PDU資料本身，比如請求的暫存器數量超過了PDU所允許的最大長度。
04：從站故障，在伺服器處理請求過程中遇到了錯誤。

MODBUS-TCP請求響應流程
  伺服器在接收到客戶端請求後，首先判斷協議識別符號，如果是MODBUS協議，才能繼續處理，然後根據MBAP報文頭中的後續位元組數來拆出一個完整的資料幀。如果客戶端是使用請求-響應方式來傳送請求，則伺服器接收到的每包資料都應該是且只有一個完整的資料包。最後根據功能碼來將請求交給各個功能碼子程式來處理。流程圖如下：

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