MODBUS协议从理解到应用快速解析(附带C语言简单实现)

绝地灬酷狼 2024-04-20 11:41 64阅读 0赞

modbus协议的简介和教程网上有很多，这里根据个人思路制作一个快速上手版本，从底层到应用，只需一篇文章。

## 一、modbus协议简介 ##

modbus协议分为很多种类，比如modbus-rtu，modbus-tcp，modbus-ascii，modbus-rtu over tcp等等，最常用的就是modbus-rtu和modbus-tcp两种类型了，其中modbus-rtu在OSI网络模型的物理层使用的大多是RS485，modbus-tcp使用的是RJ45也就是我们常说的水晶头。

为什么modbus协议搞这么麻烦，其实很简单，继续往下看。

## 二、modbus-rtu ##

这是modbus协议最开始的形态，其他版本都是基于这个版本的，理解了这个版本，其他版本就都差不多了。

### 1.modbus-rtu报文结构 ###

modbus最终还是用来通信的协议，tcp通讯收发数据包，modbus收发报文，那么理解modbus报文格式将会是使用modbus协议的一项基本功。

modbus-rtu的报文分为以下几个部分：

从机地址 功能码 数据 CRC校验

8bit 8bit Nbit 16bit

### 2.modbus-rtu报文格式解析 ###

现在你已经了解modbus的报文大概是什么结构，我们来看看具体怎么用。

**从机地址：**由于modbus协议采取一主多从的模式，故只有一个主机能主动发送报文，其他的从机只能回复收到的报文，所以在地址这里都是从机地址，主机不需要说明自己是谁。所有从机都能收到报文，但只有地址设置为报文中地址的从机会处理这条报文。由于这段数据长度规定为一字节，所以一条modbus上理论最多可以有0-255共256个从机。

**功能码：**这个字节用来告诉从机你准备让它干什么，常用的有1,2,3,4,5,6,15,16等，看到这么多数字可能会有点慌，但其实可以分为两个部分，很简单。其中01是用来读输出离散量或是1个bit的，02是用来读取输入离散量或是1个bit的，03是用来读取保持寄存器的，04用来读取输入寄存器，05用来写单个离散量，15用来写多个离散量，06用来写单个寄存器，16用来写多个寄存器。其中一个离散量就是1bit，一个寄存器大小是16bit。

**数据：**这里是最终你需要读或写的数据，不定长，最大250字节左右。

**CRC校验：**用来校验收到的数据是否受到损坏，如果损坏会回复错误，具体内容后面会讲，想详细了解校验方法自行百度。

上面说的这四部分就是modbus-rtu报文大致的结构，在实际使用中根据不同的功能只有较小的差距，下面举几个例子并说明。

#### 读： ####

##### 01，02，03，04发送的报文格式： #####

从站地址 功能码 地址高位 地址低位 数量高位 数量低位 CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 16bit

##### 01，02，03，04回复的报文格式： #####

从站地址 功能码 字节数 字节1 字节n CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit

这里发现为什么我说简单了吧，但是注意，01，02和03，04回复的解释方式是不一样的！

01，02功能码回复的字节是1bit对应一个离散量，而03，04回复的每两个字节才对应一个16位的寄存器。

现在你已经学会写所有的数据了，快来试试吧！

向地址255设备ID为2的输入寄存器写入666，用二进制或十六进制表示。

收到回复01 03 00 01 02 00 66 （十六进制，CRC校验省略），代表什么意思？

学会的朋友们可以把答案留在评论区。

#### 写： ####

##### 05，06发送的报文格式： #####

从站地址 功能码 地址高位 地址低位 写入高位 写入低位 CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 16bit

这里又有一些区别，需要用一下脑子来记一记了，用05写离散量，写入数据得发送FF 00（十六进制）才代表1（true），00 00为0。而06写寄存器，高低位加起来默认是个int16。

##### 05，06回复的报文格式： #####

从站地址 功能码 地址高位 地址低位 写入高位 写入低位 CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 16bit

回复就简单了，正常回复就是直接复读发送的报文，哈哈。

##### 15，16发送的报文格式： #####

从站地址 功能码 地址高位 地址低位 数量高位 数量低位 写入字节数 写入数据 CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit Nbit 16bit

这里15和16写入数据的区别跟01，03一样，一个是1bit代表一个离散量，一个是16bit一个寄存器。

##### 15，16回复的报文格式： #####

从站地址 功能码 地址高位 地址低位 数量高位 数量低位 CRC

8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 8bit 16bit

基本上也是复读，不过只复读到写入字节数之前。

#### 异常回复： ####

当发送了错误的报文之后就会回复异常回复，异常回复格式为：

从站地址 异常功能码 错误码 CRC

8bit 8bit 8bit 16bit

异常功能码就是正常码加128，比如03请求出错，回复的异常功能码就是83H，错误码表如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>异常码</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>01 (0x01)</td> 
   <td>非法功能码</td> 
   <td>从站设备不支持此功能码。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>02 (0x02)</td> 
   <td>非法数据地址</td> 
   <td>指定的数据地址在从站设备中不存在。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>03 (0x03)</td> 
   <td>非法数据值</td> 
   <td>指定的数据超过范围或者不允许使用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>04 (0x04)</td> 
   <td>从站设备故障</td> 
   <td>从站设备处理响应的过程中，出现未知错误等。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>05 (0x05)</td> 
   <td>确认</td> 
   <td>从站设备已经接受请求，并且正在处理这个请求，但是需要长持续时间进行这些操作，返回这个响应防止在客户机（或主站）中发生超时错误，客户机（或主机）可以继续发送轮询程序完成报文来确认是否完成处理。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>06 (0x06)</td> 
   <td>从站设备忙</td> 
   <td>从站设备正在处理长持续时间的程序命令。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>07 (0x07)</td> 
   <td>否定确认</td> 
   <td>从站设备无法执行主站设备发送的请求。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>08 (0x08)</td> 
   <td>存储奇偶性差错</td> 
   <td>指示扩展文件区不能通过一致性校验。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>10 (0x0A)</td> 
   <td>不可用的网关路径</td> 
   <td>与网关一起使用，指示网关不能为处理请求分配输入端口值输出端口的内部通信路径。通常意味着网关是错误配置的或过载的。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>11 (0x0B)</td> 
   <td>网关目标设备响应失败</td> 
   <td>与网关一起使用，指示没有从目标设备中获得响应，通常意味着设备未在网络中。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 小结： ####

到这里modbus的大部分东西就讲完了，但是还有很多细节没有写，这些在使用的过程中慢慢都会了解到，下面开始讲解modbus-tcp。

## 三、modbus-tcp ##

modbus-tcp和modbus-rtu很像，所以我只说有差别的部分，由于modbus-tcp的报文是嵌在tcp数据帧的数据段中，所以就不需要校验了，tcp协议做了这个工作。并且tcp已经用ip和端口号来确认从机地址了，所以就也不需要从机地址了。

### 1.modbus-tcp报文结构 ###

事务处理标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 数据

16bit 16bit 16bit 8bit 8bit Nbit

后面的基本一样就是丢掉了校验，数据代表功能码后面所有其他数据，都是一样的，着重讲一下前面四个。

**事务标识符：**用于事务处理配对。回复报文会复读这一段数据。因为在以太网传输中存在一个问题，就是先发后至，我们可以利用这个事务处理标识符做一个id，来防止这种情况所造成的数据收发错乱（没人用，都是0000）。

**协议标识符：**modbus协议就是0000，固定的。

**长度：**后面的字节数

**单元标识符：**从站地址，基本没啥用，写错了也没事，原因前面讲过，很多设备的实现都会忽略这一段，但不排除有的设备非要你写对。

### 小结： ###

modbus-tcp和modbus-rtu的主要区别就是前面的一些数据，功能码后面的数据除了没有校验之外其他所有的都和rtu一样，故不再解释，下面给一个C语言收发报文的实现。

## 四、C语言实现收发modbus-tcp报文 ##

#include <winsock2.h>
    #pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")
    #include <ws2tcpip.h>
    #include <stdio.h>
    
    
    int main() {
        // 初始化Winsock库
        WSADATA wsaData;
        if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
            fprintf(stderr, "无法初始化Winsock库\n");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 创建TCP套接字
        SOCKET tcpSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if (tcpSocket == INVALID_SOCKET) {
            fprintf(stderr, "无法创建TCP套接字: %d\n", WSAGetLastError());
            WSACleanup();
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 设置目标地址
        sockaddr_in destAddr;
        destAddr.sin_family = AF_INET;
        destAddr.sin_port = htons(502);
        if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &destAddr.sin_addr) <= 0) {
            fprintf(stderr, "无法转换目标IP地址\n");
            closesocket(tcpSocket);
            WSACleanup();
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 连接到目标地址
        if (connect(tcpSocket, (struct sockaddr*)&destAddr, sizeof(destAddr)) == SOCKET_ERROR) {
            fprintf(stderr, "连接失败: %d\n", WSAGetLastError());
            closesocket(tcpSocket);
            WSACleanup();
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 构造Modbus TCP 请求报文
        unsigned char modbusRequest[] = {
            0x00, 0x01,         // 事务标识符
            0x00, 0x00,         // 协议标识符
            0x00, 0x06,         // 长度字段
            0x01,               // 单元标识符
            0x03,               // 功能码 (Read Holding Registers)
            0x00, 0x00,         // 起始寄存器地址
            0x00, 0x01,         // 寄存器数量
        };
    
        // 发送Modbus请求
        if (send(tcpSocket, (char*)modbusRequest, sizeof(modbusRequest), 0) == SOCKET_ERROR) {
            fprintf(stderr, "发送Modbus请求失败: %d\n", WSAGetLastError());
            closesocket(tcpSocket);
            WSACleanup();
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 接收Modbus响应
        char buffer[150];
        int bytesRead = recv(tcpSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (bytesRead > 0) {
            printf("接收到 %d 字节的数据:\n", bytesRead);
    
            // 逐个打印接收到的数据
            printf("接收到的数据内容：");
            for (int i = 0; i < bytesRead; i++) {
                printf("%02X ", (unsigned char)buffer[i]); // 以十六进制格式打印每个字节
            }
            printf("\n");
        }
        else if (bytesRead == 0) {
            printf("连接已关闭\n");
        }
        else {
            fprintf(stderr, "接收数据时发生错误: %d\n", WSAGetLastError());
        }
    
    
        // 关闭套接字
        closesocket(tcpSocket);
    
        // 清理Winsock库
        WSACleanup();
    
        return EXIT_SUCCESS;
    }

可以看到其实很简单，就是发送一些数字，接收一些数字，这里只是举个例子，手写了一个报文，且并没有实现解析回复报文的功能。

## 总结： ##

modbus协议中常用的知识到此已经介绍完毕，阅读完这篇文章应该就能很轻易地开始使用modbus了，有收获可以点赞收藏，谢谢大家，后面有需要可能会增加一些新内容，但是应该没啥必要，剩下的一搜都有。