Modbus基础知识
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Modbus基础知识相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
参考技术A RS485是一个接口，是ModBus协议支持的多种接口之一，如RS-232是其支持的另一种接口。RS485一般是2线制的，即由485A、485B两条接线进行数据传输。由两条线间的电压差不同分别表示0和1（正2-6伏特表示逻辑0，负2-6伏特表示逻辑1）。Modbus是一个协议。是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。它可应用于各种数据采集和过程监控。
所谓的协议是什么？就是不同实体间，为了相互通讯而进行的一种约定。比如点头表示同意，摇头表示不同意就可以看成一种通讯协议。没有约定好的协议，便无法交流。
任何人都可以使用国际通用的摩尔斯电码救难信号S.O.S（...---...）进行求救，因为全球都接受这个约定。在夜晚可以用手电筒三短三长三短的发光进行求救。
报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即数据交换过程中一次性要发送的数据块。也称为数据帧， 一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文。由协议约定，对报文中的数据进行解释，赋予报文以意义，使得通讯各方都能够理解报文，从而能够交流。
先来简单分析一条MODBUS-RTU报文，例如：01 06 00 01 00 17 98 04
01 06 0001 0017 9804
从机地址 功能号 数据地址 数据 CRC校验
这一串数据的意思是：把数据 0x0017(十进制23) 写入 1号从机地址 0x0001数据地址。
数据在传输过程中可能受到干扰或者丢失，为了保证数据的正确性，人们通过CRC校验，来判断报文是否正确，从而决定是接受还是放弃报文。
上面报文最后面的9804就是校验码。他是前面的有效数据 01 06 00 01 00 17通过一系列算法计算出来的。报文接收方通过同样的算法多数据部分进行计算，得到一个CRC校验码。如果接收方计算出的CRC和发送方的CRC不同，则认为报文在发生过程中发生了错误，就拒绝接受报文。
基于libmodbus库实现modbus TCP/RTU通信
文章目录
一.modbus TCP
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（modbus TCP）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。
1.1 报文头MBAP
MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：
| 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 |
比如一帧modbus TCP报文如下：00 01 00 00 00 06 01 06 08 00 12 34
其中前7个字节（标红的部分）为报文头MBAP。
1.2 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。
PDU详细结构：
1. 0x01：读线圈状态
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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 0x0F（15）：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
8. 0x10（16）：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）
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
1.3 库函数调用
下面的函数分别实现了上述的八种功能，并给出了发送的数据格式：
modbus_t *mb; //modbus_t
uint8_t read_buffer[1024]; //定义read_buffer
uint8_t write_buffer[1024]; //定义write_buffer
uint16_t read_buffer_16[1024]; //定义read_buffer_16
uint16_t write_buffer_16[1024]; //定义write_buffer_16
modbus_read_bits(mb, 0x6789, 5, read_buffer); //0x01：读线圈状态: 00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
modbus_read_input_bits(mb, 0x6789, 5, read_buffer); //0x02：读离散量输入: 00 01 00 00 00 06 01 02 67 89 00 05
modbus_read_registers(mb, 0x6789, 5, read_buffer_16); //0x03：读保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 03 67 89 00 05
modbus_read_input_registers(mb, 0x6789, 5, read_buffer_16);//0x04：读输入寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
modbus_write_bit(mb, 0x6789, 0x1234); //0x05：写单个线圈: 00 01 00 00 00 06 01 05 67 89 FF 00
modbus_write_register(mb, 0x6789, 0x1234); //0x06：写单个保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 06 67 89 12 34
modbus_write_bits(mb, 0x6789, 5, write_buffer); //0x0F（15）：写多个线圈: 00 01 00 00 00 08 01 0F 67 89 00 05 01 1F
modbus_write_registers(mb, 0x6789, 5, write_buffer_16); //0x10（16）：写多个保持寄存器: 00 01 00 00 00 11 01 10 67 89 00 05 0A 00 00 00 00 00 00 00 00 00 05
1.4 写成基类封装基础功能
为了方便其他客户端的调用，此处将上述的功能实现封装成一个基类，在基类中实现上述8中读写操作，当客户端需要调用Modbus功能时只需继承上述基类，并拓展相关功能函数即可，简单易用。下面给出了modbus_tcp.hpp和modbus_tcp.cpp程序。
modbus_tcp.hpp
/**
* @brief modbus tcp base class
*/
#ifndef __MODBUS_TCP_HPP__
#define __MODBUS_TCP_HPP__
#include <chrono>
#include <string>
#include "modbus/modbus.h"
namespace modbus
/**
* modbus_tcp base class
*/
class modbus_tcp
public:
/**
* @brief Constructor
* @throw @ref std::runtime_error() on gripper modbus communication failure
*
* @param[in] ip The modbus ip of gripper
* @param[in] port The modbus tcp port of gripper
*/
modbus_tcp(const std::string& ip, const short port);
~modbus_tcp();
//! libmodbus's error return value
static constexpr int MODBUS_ERR = -1;
//0x01：读线圈状态: 00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
int read_coil_status(int addr, int nb, uint8_t *dest);
//0x02：读离散量输入: 00 01 00 00 00 06 01 02 67 89 00 05
int read_input_status(int addr, int nb, uint8_t *dest);
//0x03：读保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 03 67 89 00 05
int read_holding_register(int addr, int nb, uint16_t *dest);
//0x04：读输入寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
int read_input_register(int addr, int nb, uint16_t *dest);
//0x05：写单个线圈: 00 01 00 00 00 06 01 05 67 89 FF 00
int write_single_coil(int coil_addr, int status);
//0x06：写单个保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 06 67 89 12 34
int write_single_register(int reg_addr, const uint16_t value);
//0x0F（15）：写多个线圈: 00 01 00 00 00 08 01 0F 67 89 00 05 01 1F
int write_multiple_coil(int addr, int nb, const uint8_t *data);
//0x10（16）：写多个保持寄存器: 00 01 00 00 00 11 01 10 67 89 00 05 0A 00 00 00 00 00 00 00 00 00 05
int write_multiple_registers(int addr, int nb, const uint16_t *data);
private:
modbus_t* ctx_;
;
// namespace modbus
#endif
modbus_tcp.cpp
#include <stdexcept>
#include <iostream>
#include "modbus_tcp.hpp"
namespace modbus
// modbus_tcp构造函数
modbus_tcp::modbus_tcp(const std::string& ip, const short port)
: ctx_(modbus_new_tcp(ip.c_str(), port))
if (MODBUS_ERR == modbus_set_slave(ctx_, 1) //
|| MODBUS_ERR == modbus_set_response_timeout(ctx_, 0, 1000 * 100) //!< [100ms]，注意，此处的响应延时需要根据实际情况设定！！！
|| MODBUS_ERR == modbus_connect(ctx_)) //
modbus_free(ctx_);
throw std::runtime_error("modbus_tcp init or connect failed");
;
std::cout<<"modbus_tcp构造函数调用"<<std::endl;
// modbus_tcp析构函数
modbus_tcp::~modbus_tcp()
modbus_close(ctx_);
modbus_free(ctx_);
std::cout<<"modbus_tcp析构函数调用"<<std::endl;
//0x01：读线圈状态: 00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
int modbus_tcp::read_coil_status(int addr, int nb, uint8_t *dest)
return modbus_read_bits(ctx_, addr, nb, dest); // return the number of read bits if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x02：读离散量输入: 00 01 00 00 00 06 01 02 67 89 00 05
int modbus_tcp::read_input_status(int addr, int nb, uint8_t *dest)
return modbus_read_input_bits(ctx_, addr, nb, dest); // return the number of read input status if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x03：读保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 03 67 89 00 05
int modbus_tcp::read_holding_register(int addr, int nb, uint16_t *dest)
return modbus_read_registers(ctx_, addr, nb, dest); //成功时返回读取输入位的数目即nb，失败时返回-1.
//0x04：读输入寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
int modbus_tcp::read_input_register(int addr, int nb, uint16_t *dest)
return modbus_read_input_registers(ctx_, addr, nb, dest); //return the number of read input registers if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x05：写单个线圈: 00 01 00 00 00 06 01 05 67 89 FF 00
int modbus_tcp::write_single_coil(int coil_addr, int status)
return modbus_write_bit(ctx_, coil_addr, status); //成功时，返回1；失败时，返回-1。
//0x06：写单个保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 06 67 89 12 34
int modbus_tcp::write_single_register(int reg_addr, const uint16_t value)
return modbus_write_register(ctx_, reg_addr, value); //成功时返回1，失败时返回-1.
//0x0F（15）：写多个线圈: 00 01 00 00 00 08 01 0F 67 89 00 05 01 1F
int modbus_tcp::write_multiple_coil(int addr, int nb, const uint8_t *data)
return modbus_write_bits(ctx_, addr, nb, data); //return the number of written bits if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x10（16）：写多个保持寄存器: 00 01 00 00 00 11 01 10 67 89 00 05 0A 00 00 00 00 00 00 00 00 00 05
int modbus_tcp::write_multiple_registers(int addr, int nb, const uint16_t *data)
return modbus_write_registers(ctx_, addr, nb, data); //成功时返回写入寄存器个数即nb，失败时返回-1.
// namespace modbus
main.cpp
#include "modbus_tcp.hpp"
int main(int argc, char *argv[])
uint8_t read_buffer[1024];
uint8_t write_buffer[1024];
uint16_t read_buffer_16[3];
uint16_t write_buffer_16[1024];
modbus::modbus_tcp modbus("192.168.2.128",8080); //创建一个modbus_tcp对象
modbus.read_coil_status(0x6789, 5, read_buffer);//00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
modbus.read_input_status(0x6789, 5, read_buffer);//00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
modbus.read_holding_register(0x6789, 5, read_buffer_16);//00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
modbus.read_input_register(0x6789, 5, read_buffer_16);//00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
modbus.write_single_coil(0x6789, 0x1234);
modbus.write_single_register(0x6789, 0x1234);//0x06：写单个保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 06 67 89 12 34
modbus.write_multiple_coil(0x6789, 5, write_buffer);//0x0F（15）：写多个线圈: 00 01 00 00 00 08 01 0F 67 89 00 05 01 1F
modbus.write_multiple_registers(0x6789, 5, write_buffer_16); //0x10（16）：写多个保持寄存器: 00 01 00 00 00 11 01 10 67 89 00 05 0A 00 00 00 00 00 00 00 00 00 05
编译 & 执行：
g++ main.cpp modbus_tcp.cpp -lmodbus -std=c++17
./a.out
输出结果：
二.modbus RTU
在一般工业场景使用modbus RTU的场景还是更多一些，modbus RTU基于串行协议进行手法数据，包括RS232/485等工业总线协议。与modbus TCP不同的是RTU没有报文头MBAP字段，但是在尾部增加了两个CRC检验字节（CRC16），因为网络协议中自带校验，所以在TCP协议中不需要使用CRC校验码。RTU和TCP的总体使用方法基本一致，只是在创建modbus对象时有所不同，TCP需要传入网络socket信息；而RTU需要传入串口相关信息。
2.1 使用示例
当需要向某个从机寄存器写入某个值时，如向01地址的设备，0x0105保持寄存器写入1个数据：0x0190为例，那么需要构建这样一个数据帧：
主机发送：01 06 01 05 01 90 99 CB
01表示从机地址，06功能码表示写单个保持寄存器，0105表示寄存器地址，0190表示写入寄存器的数值，99 CB为CRC校验值。
如果从机正确的收到了数据，会回复一个数据帧：
从机回复：01 06 01 05 01 90 99 CB
所以作为主机，写数据的流程是：
- 构建一个Modbus-RTU数据帧
- 等待从机响应的数据
- 如果响应数据正确，说明写入成功，否则写入失败。
2.2 写成基类封装基础功能
为了方便其他客户端的调用，此处将上述的功能实现封装成一个基类，在基类中实现上述8中读写操作，当客户端需要调用Modbus功能时只需继承上述基类，并拓展相关功能函数即可，简单易用。下面给出了modbus_rtu.hpp和modbus_rtu.cpp程序。
modbus_rtu.hpp
/**
* @brief modbus rtu base class
*/
#ifndef __MODBUS_RTU_HPP__
#define __MODBUS_RTU_HPP__
#include <chrono>
#include <string>
#include "modbus/modbus.h"
namespace modbus
/**
* modbus_rtu base class
*/
class modbus_rtu
public:
/**
* @brief Constructor
* @throw @ref std::runtime_error() on gripper modbus communication failure
*
* @param[in] ip The modbus ip of gripper
* @param[in] port The modbus rtu port of gripper
*/
modbus_rtu( const std::string& device, //串口设备，类似于："/dev/ttyUSB0"
int baud, //波特率：9600 115200等等
char parity, //奇偶校验位：通常设置为'N'
int data_bit, //数据位：通常设置为8
int stop_bit //停止位：通常设置为1
);
~modbus_rtu();
//! libmodbus's error return value
static constexpr int MODBUS_ERR = -1;
//0x01：读线圈状态: 00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
int read_coil_status(int addr, int nb, uint8_t *dest);
//0x02：读离散量输入: 00 01 00 00 00 06 01 02 67 89 00 05
int read_input_status(int addr, int nb, uint8_t *dest);
//0x03：读保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 03 67 89 00 05
int read_holding_register(int addr, int nb, uint16_t *dest);
//0x04：读输入寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
int read_input_register(int addr, int nb, uint16_t *dest);
//0x05：写单个线圈: 00 01 00 00 00 06 01 05 67 89 FF 00
int write_single_coil(int coil_addr, int status);
//0x06：写单个保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 06 67 89 12 34
int write_single_register(int reg_addr, const uint16_t value);
//0x0F（15）：写多个线圈: 00 01 00 00 00 08 01 0F 67 89 00 05 01 1F
int write_multiple_coil(int addr, int nb, const uint8_t *data);
//0x10（16）：写多个保持寄存器: 00 01 00 00 00 11 01 10 67 89 00 05 0A 00 00 00 00 00 00 00 00 00 05
int write_multiple_registers(int addr, int nb, const uint16_t *data);
private:
modbus_t* ctx_;
;
// namespace modbus
#endif
modbus_rtu.cpp
#include <stdexcept>
#include <iostream>
#include "modbus_rtu.hpp"
namespace modbus
// modbus_rtu构造函数
modbus_rtu::modbus_rtu( const std::string& device, //串口设备，类似于："/dev/ttyUSB0"
int baud, //波特率：9600 115200等等
char parity, //奇偶校验位：通常设置为'N'
int data_bit, //数据位：通常设置为8
int stop_bit) //停止位：通常设置为1
: ctx_(modbus_new_rtu(device.c_str(), baud,parity,data_bit,stop_bit))
if (MODBUS_ERR == modbus_set_slave(ctx_, 1) //
|| MODBUS_ERR == modbus_set_response_timeout(ctx_, 0, 1000 * 100) //!< [100ms]，注意，此处的响应延时需要根据实际情况设定！！！
|| MODBUS_ERR == modbus_connect(ctx_)) //
modbus_free(ctx_);
throw std::runtime_error("modbus_rtu init or connect failed");
;
std::cout<<"modbus_rtu构造函数调用"<<std::endl;
// modbus_rtu析构函数
modbus_rtu::~modbus_rtu()
modbus_close(ctx_);
modbus_free(ctx_);
std::cout<<"modbus_rtu析构函数调用"<<std::endl;
//0x01：读线圈状态: 00 01 00 00 00 06 01 01 67 89 00 05
int modbus_rtu::read_coil_status(int addr, int nb, uint8_t *dest)
return modbus_read_bits(ctx_, addr, nb, dest); // return the number of read bits if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x02：读离散量输入: 00 01 00 00 00 06 01 02 67 89 00 05
int modbus_rtu::read_input_status(int addr, int nb, uint8_t *dest)
return modbus_read_input_bits(ctx_, addr, nb, dest); // return the number of read input status if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x03：读保持寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 03 67 89 00 05
int modbus_rtu::read_holding_register(int addr, int nb, uint16_t *dest)
return modbus_read_registers(ctx_, addr, nb, dest); //成功时返回读取输入位的数目即nb，失败时返回-1.
//0x04：读输入寄存器: 00 01 00 00 00 06 01 04 67 89 00 05
int modbus_rtu::read_input_register(int addr, int nb, uint16_t *dest)
return modbus_read_input_registers(ctx_, addr, nb, dest); //return the number of read input registers if successful. Otherwise it shall return -1 and set errno.
//0x05：写单个线圈: 00 01 00 00 00 06 01 05 67 89 FF 00
int modbus_rtu::以上是关于Modbus基础知识的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章