Modbus Poll/Slave 模拟器使用教程

Posted 2023-03-30 wespten

一、Modbus协议

ModBus官网是Modicon（Modicon被施耐德收购）公司为其PLC通讯而开发的一种通讯协议。

Q1-什么是PLC？

A1- 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）

PLC是个可编程序的控制器，是一个设备产品是一个实物。

Q2-通讯协议

A2- 协议是一种规范和约定，是一种通讯的语言。规定了通讯双方能够识别并使用的消息结构和数据格式。

modbus是工业上常用的通讯协议，和普通的软件开发中的通讯协议差不多。

总结： Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。可以理解你的PLC设备和我的PLC设备想通讯聊天，我们就得遵循这个协议来交流。

Modbus协议支持RTU、ASCII、TCP三种常见传输模式

上面三种模式，根据常用传输介质,Modbus可使用串口和网口（含光纤）方式进行传输，RTU、ASCII是属于串口通讯，TCP属于网口(以太网通讯)。

串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。

想仔细了解串口可以看看这个文章 读懂com/串口。

在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。

这里出现了一个 串口参数也就是设置合适的通讯参数，串口参数详细请看：

学习串口参数详解：波特率，数据位，停止位，奇偶校验位 (360doc.com)

波特率：串口通讯时候得速率
数据位：衡量通信中实际数据位的参数
停止位：用于表示单个包的最后一位
校验位：串口通信中一种简单的验错方式。4种：偶奇高低

在正式开始使用Modbus模拟器前，还需要了解一些概念：

1. C，C++规定，16进制数必须以 0x开头。比如 0x1表示一个16进制数

2. 主从模式和对等模式

控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。

在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。

我们要和控制器通讯，首先要求协议一样，串口参数一样。传输模式一样。

这里说说Mdobus三种传输模式：

通信帧被称为应用数据单元（Application Data Unit，ADU），它包含通信地址段、功能代码段、数据段和校验段。

其中，功能代码段和数据段组合称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。

通信地址段：每个设备或者说从机都有个地址识别，我理解是MAC地址。唯一的。等于说主机发消息说hello 张三，那一堆从机收到消息。得和自身匹配才行。不然你不是张三，你应答个啥。

ADU = 地址域+PDU+校验
PDU = 功能码+数据

功能码：决定这一帧数据主要是干嘛的,就是我有个编码比如说数字1，表示我喊你把灯打开，数字2，告诉我灯的状态等等。类似于一个字典。占用一个字节,取值范围（1-255），其中128-255为保留，用于异常消息应答报文。1到127为功能代码编号，其中65到72和100到110为用户自定义编码。

数据：可有可没有，根据需求来

校验段：就是一种检验数据的手段，比如你给我说的我爱你，而我收到的信息是我恨你，这不就乱套了么。所以得校验你的数据是不是你要传的数据。

Modbus的功能码

 

串行通信中规定ADU的最大长度为256个字节，通信地址占用1个字节。校验2个字节，所以PDU的字节253 ，256-1-2=253字节。

以太网通信的TCP，因为要增加一个7个字节的MBAP（MODBUS Application Protocol）的报文头，所以他的ADU的长度=253+7=260 字节。tcp不需要校验。因为底层做了这份工作。底层的数据链路层已经做了冲突检测的工作,自然就可以同时传输不担心数据撞车。

RTU模式

对于上图，就是发送的消息要有间隔时间。不然你一股脑的发过来，谁分辨的清楚。

8bit包含的是2个4bit的十六进制。

ASCII模式

在该模式下，传输的帧中的数据的每一位只能是ascii码的0-9 a-f，因为rtu模式下一字节一个数据，也就是1字节0x00-0xff，所以在ascii模式下为了传送相同的数据,必须两个字节标识一个有效数据，也就是如下：

可以看到,找ascii模式下,不是依靠时间间隔判定帧起始了,而是依靠特定字符判断,结束也是按照特定字符判断,起始的判断是’:’字符,结束的判断是windows下的回车换行,数据的最大长度被扩容到了2*252,这样,两种传输模式能传输相同的数据量,但是ascii传输的更慢了。

TCP模式

TCP的报文帧 = MBAP+PDU

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

 ​​

MBAP报文头

其中MBAP报文头的组成为：

由上表可知，报文头为 7 个字节长。

PDU报文体

PDU的组成为功能码(一个字节)和数据(n个字节)，其中功能码为一个字节，modbus定义的功能码有：

01 读线圈(coils)状态，读取单个或多个
02 读离散输入(discreteinputs)状态，读取单个或多个
03 读保持寄存器(holdingregisters)，读取单个或多个
04 读输入寄存器(inputregisters)，读取单个或多个
05 写单个线圈(coils)状态，单个写入
06 写单个保持寄存器(holdingregisters)，单个写入
15 写多个线圈(coils)，多个写入
16 写多个保持寄存器(holdingregisters)，多个写入

另外，当响应报文的功能码最高位为1时（即：(function & 0x80) != 0），表示为异常响应，这时数据为一个字节的异常码，具体的异常码定义有：

01 功能码不能被从机识别
02 从机的单元标识符不正确
03 值不被从机接受
04 当从机试图执行请求的操作时，发生了不可恢复的错误。
05 从机已接受请求并正在处理，但需要很长时间。返回此响应是为了防止在主机中发生超时错误。主站可以在下一个轮询程序中发出一个完整的消息，以确定处理是否完成。
06 从站正在处理长时间命令。Master应该稍后重试。
07 从站不能执行程序功能。主站应该向从站请求诊断或错误信息。
08 从站在内存中检测到奇偶校验错误。主设备可以重试请求，但从设备上可能需要服务。
10 专门用于Modbus网关。表示配置错误的网关。
11 专用于Modbus网关的响应。当从站无法响应时发送。

PDU报文详情

1、读线圈

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文： 

2、读离散输入

请求报文：

正常响应报文： 

异常响应报文： 

3、读保持寄存器

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文：

4、读输入寄存器

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文： 

5、写单个线圈

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文：

6、写单个保持寄存器

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文： 

7、写多个线圈

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文： 

8、写多个保持寄存器

请求报文：

正常响应报文：

异常响应报文： 

练习题1：

请在从站0x01中，读取开始地址为0x0002的线圈数据，读0x0008位 解析: 00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08 

req格式: MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L（共12字节）

对应下图：

这里都是16进制表示。为啥是16进制。1byte不是等于8bit么。计算机在进制转换的时候4bit和16进制转换简单。至于16进制前缀0x，不用过多言语了。

高八位和低八位：内存里，一个单元是一个字节，也就是8位。如果是16位的指令，就是同时操作连续的2个内存地址，将这连续的2个内存地址当成一个单位，所以就有高8位和低8位之分。

00 01 ：2字节事务处理标识符。理解为序列号

00 00 ：2字节协议标识符。TCP就是00 00

00 06 ：2字节。表示后面的数据长度。后面不就是6个么

01： 设备地址。就是这题的0x01

01：功能码读线圈。没啥可说的。不熟悉就对照那个功能码去看。

00 02: 00是高位 02是低位。这里就是表示0x0002的线圈位置

00 08: 00是高位 08是低位。这里读0x0008位

针对这个req，对应做出res

解析res: 00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

res格式：MBAP 功能码 数据长度 数据（一个地址的数据为1位）（共12字节）

对应下图：

前面基本一样，长度变成04.然后主要看数据。

数据01 01: 数据长度为0x01个字节，数据为0x01，第一个线圈为ON，其余为OFF

练习题2：

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
req格式：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

二、Modbus Poll/Slave 模拟器使用

poll和slave概述

官网地址tools

poll：是非常流行的 Modbus 主站模拟器，用于测试和调试您的从站设备。支持 Modbus RTU/ASCII 和 Modbus TCP/IP（来自官网翻译）

slave：是一个从站模拟器，用于模拟 32 个从设备/地址区域。OLE 自动化支持，可轻松连接到 Excel 电子表格。

下载安装：首先我们需要下载这2个软件，官网即可下载。下载安装都很简单，软件属于收费软件。如果有条件请支持正版。因为我只是学习下，注册码可以移步：

(538条消息) Modbus模拟器亲测可用-其它文档类资源-CSDN文库

这里安装好会就会看见这2个图标了。

主从模拟器有了以后，这里我们还需要下载一个工具。

Virtual Serial Port Driver虚拟com端口工具，不下载后面玩不了，会给报错说端口没有定义的。

这个工具有个虚拟com端口的。软件使用也是傻瓜教程，直接add。

添加好虚拟端口以后。win10可以点击此电脑-属性-设备管理器 

打开软件之后主界面如下，出现红色No connection说明此时没有连接任何从设备。上面一行字代表当前通讯状态统计，Tx 代表发送帧数，Err代表错误帧，ID表示从站的ID号，F代表功能码，SR代表轮询周期，右下角显示IP地址和端口号。

点击Connection->Connect… 弹出注册码输入框，可以输入注册码，没有的话点击Regster later可以试用30天。

输入完注册码后，弹出Connection配置。

支持5种连接形式：

1 串行： 通过串行线路。RS232或RS485。可以使用USB串行转换器。

2 TCP/IP：如果要与TCP/IP网络通信，选择TCP/IP。在这种情况下，从站ID与TCP/IP中使用的单元ID相同。 端口号默认为502。如果连接失败，则尝试是否可以在命令提示符下ping设备。如果ping命令失败，轮询也将失败。

3 UDP/IP： 如果要与UDP/IP网络通信，请选择UDP/IP。这与TCP/IP相同，但改用连接较少的UDP协议。

通过TCP/IP的RTU/ASCII： 这是通过TCP/IP网络而不是串行线路发送的RTU或ASCII消息。 通过UDP/IP的RTU/ASCII： 这是通过UDP/IP网络而不是串行线路发送的RTU或ASCII消息。 连接类型3-5不是http://www.modbus.org指定的标准，是为了一些特殊情况下的应用。

连接成功connection时界面如下（需要使用从站仿真器或者真实设备）。

模拟串口通讯-RTU

演示用的版本poll(),slave(7.3.0)，选择串口后可以配置串口信息。

串口配置一般默认就好，除非有特殊的要求，Mode处可以选择RTU和 ASCII类型。右侧可以设置响应超时时间，和轮训间隔。对于轮训间隔，一般设置为20ms，如果将此值设置为小于20毫秒，则不能保证响应和新请求之间的3.5个字符的时间间隔。这是因为Windows进程调度为每10到20毫秒切换一次任务。 如果在串行RS485网络中轮询多个从站，则不应将该值设置为低于20ms。这是为了确保3.5个字符的时间间隔。 在TCP/IP网络中，小于20毫秒是可以的。

点击高级Advanced...可以看到高级设置，这里一般不用去管这里稍微介绍一下

RTS切换 ：RTS切换指定如果字节可用于传输，则RTS线将为高。发送所有缓冲的字节后，RTS线将变为低电平。 如果你的232/485转换器带自动方向切换功能，则可以使用它来切换方向。 尽量，应避免使用RTS控制的RS232/RS485转换器。在非实时操作系统（例如Windows和Linux）下，很难确定关闭变送器的确切时间。如果关闭它，字符可能仍位于FIFO或UART的发送寄存器中，尚未发送出去，这会导致数据丢失，但如果关闭时间太晚，则从站的消息将被破坏，主站将无法识别该消息。

DSR ：DSR指定是否监视DSR（数据集就绪）信号以进行输出流控制。如果此成员为TRUE并且DSR关闭，则输出将被挂起，直到再次发送DSR。

CTS ：CTS指定是否监视CTS（清除发送）信号以进行输出流控制。如果启用此复选框且CTS已关闭，则输出将暂停，直到再次发送CTS。

DTR：DTR指定在打开端口时是启用还是禁用DTR。

删除回显 如果你用的设备或RS232/RS485转换器会回显刚刚发送的字符，则启用该功能自动删除回显。

配置slave从机。打开软件。第一个界面。id=1表示从机地址。F=03表示协议功能码。03就是读保持寄存器。

选择工具栏的setup-slave definition(快捷键F8)。这里代表的意思已标注。配置好以后点击ok

选择工具栏的setup-Connection-connect，出现如下界面，配置好后点击ok。这里参数比较多，说明下：

connection: Serial port 表示传输方式是串行端口
Serial setting: 设置刚刚的虚拟端口
9600 Baud 波特率
8data bits 数据位
Parity 校验位
stop bit 停止位
mode :rtu

这里就是设置串口参数：

配置好以后点击ok,就会出现如下界面：

至此，从机的配置我们做完了，接着我们操作poll(主机)。同样的打开poll，出现如下界面：

tx =0 发送0次命令
err =0错误次数0，
id = 从机ID，
f = 功能号03，
sr= 轮询间隔1000ms 

选择工具栏的setup-slave definition(快捷键F8).这里就是设置要通讯的从机地址1，功能码。

寄存器地址数量和轮询时间。

 

选择工具栏的setup-Connection-connect。串口参数和传输模式得和从机一致。

端口是com1-com2。 

点击ok以后。就会发现连接成功。

为了方便调试，我们可以查看通讯数据帧。选择工具栏中的Display-Communication。

可以显示出当前发送命令和接受的数据。图下图就是收发的数据帧。

这里的数据帧含义解析：

Rx表示接收的数据帧
Tx表示发送的数据帧
000089这样的6位表示序列号
随便看一条数据
Tx:000090-01 03 00 00 00 0A C5 CD
01 从机地址
03 功能码
00 00 00 0A 数据
C5 CD 校验

我们可以在slave中配置下寄存器的值，比如我给随便配置个值68。

点击ok，我们在看看poll的数据帧，就会读到。 

以太网通讯-TCP 

和串口配置类似，只是多了服务器（从机）IP配置，端口号，网络连接超时设置，还可以切换IPv4和IPv6网络协议。

参数设置

点击Setup->Read/Write Definiton...可以对监视窗口监视的内容进行设置

点击之后可以设置从站地址，选择功能码，如03是读保持寄存器值，Address处填写寄存器地址，这里要注意右侧有地址寻址方法 40011->10，Quantity填写要读的寄存器数目

View 部分用于设置显示的行数，Cell中的地址显示等信息。

可配置Modbus的功能码定义如下：

常见的功能码和地址对应表：

设置假名，你可以直接双击alias列对应的单元格填写一些方便记忆的名字。

选择Setup->Excel Log ...可以设置Excel log，以方便数据处理。

选择Setup->Log … 可以设置Log的存储细节，存储速率，分割符，错误记录形式等。

测试功能：

Modbus poll 提供方便的测试辅助功能在Function菜单下，可以直接选择相应的功能发送命令给从机。

Modbus Poll还提供了文本发送调试工能，点击Functions->Test Center...进入测试中心，编辑完了命令之后可以直接点击Send发送。

显示设置

默认情况下Modbus Poll以Signed形式显示数据，这可以根据需要需要 点击Display菜单可以根据需要修改每个单元格的显示格式。

选择Communication...可以看到通信帧信息。

Modbus poll还提供了一个实时绘图页面来帮助用户观察数据接收情况，一般情况下不需要，调试时直接观察通信帧一般就够了。

Mobus Slave模拟从站（服务器），辅助主站开发调试。

打开Modbus Slave可以看到主界面。

图中ID为站号，F为响应主机的功能码。

在和主机进行连接之前先对连接进行设置点击Connection->Connection Setup，这里我选择了TCP/IP协议，串口协议类似。

对从机进行配置点击 Slave Definition...，设置好了点击OK。 

然后对仿真界面进行一些设置，可以在Alias列填写容易识别的名字，双击右侧单元格会弹出寄存器编辑窗口，可以填写你需要的值，勾选Auto increment可以另每个单元自动增长。

配置好了Slave仿真器后，可以点击connection，然后利用主机连接，开始仿真调试。