MODBUS协议从理解到应用快速解析(附带C语言简单实现)

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MODBUS协议从理解到应用快速解析(附带C语言简单实现)

2024-02-12 19:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

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：

异常码名称描述01 (0x01)非法功能码从站设备不支持此功能码。02 (0x02)非法数据地址指定的数据地址在从站设备中不存在。03 (0x03)非法数据值指定的数据超过范围或者不允许使用。04 (0x04)从站设备故障从站设备处理响应的过程中，出现未知错误等。05 (0x05)确认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。06 (0x06)从站设备忙从站设备正在处理长持续时间的程序命令。07 (0x07)否定确认从站设备无法执行主站设备发送的请求。08 (0x08)存储奇偶性差错指示扩展文件区不能通过一致性校验。10 (0x0A)不可用的网关路径与网关一起使用，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。11 (0x0B)网关目标设备响应失败与网关一起使用，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。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 #pragma comment(lib, "Ws2_32.lib") #include #include 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) { 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。

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