Modbus 协议简介
QingHub设计器在设计物联网数据采集时不可避免的需要针对Modbus协议的设备做相关数据采集,这里就我们的实际项目经验分享Modbus协议
你可以通过QingHub作业直接体验试用,也可以根据手册开发相应的代码块。 qinghub项目已经全面开源。
源码文件地址: https://gitee.com/qingplus/qingcloud-platform
简介
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和以太网接口,采用master/slave方式通信。
功能码
重点介绍常用如下几个功能码:
1: 读线圈寄存器
2: 读离散输入寄存器
3: 读保持寄存器
4: 读输入寄存器
5: 写单个线圈寄存器
6: 写单个保持寄存器
15: 写多个线圈寄存器
16: 写多个保持寄存器
几种继承器介绍
线圈寄存器
实际上就可以类比为开关量,每个bit都对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。
离散输入寄存器
如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式,他也是每个bit表示一个开关量,而他的开关量只能读取输入的开关信号,是不能够写的。
保持寄存器
这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte,也就是可以存放具体的数据量的,并且是可读写的。比如设置时间年月日,不但可以写也可以读出来现在的时间。写分为单个写和多个写。
输入寄存器
只剩下这最后一个了,这个和保持寄存器类似,但是也是只支持读而不能写。一个寄存器也是占据两个byte的空间。
通信协议 (重点看这里就可以了)
Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个,从站有多个,主站向各从站发送请求帧,从站给予响应。在使用TCP通信时,主站为client端,主动建立连接;从站为server端,等待连接(当然只要你愿意并足够熟悉,也可以反向操作)。
Mobus 的报文大致分为两类: MBAP+PDU。
MBAP= Modbus Application Protocol Header(Modbus应用协议) 头部
PDU = Protocol Data Unit (数据单元)
MBAP报文
- MBAP为报文头,长度为7字节,组成如下:
事务处理标识 | 协议标识 | 长度 | 单元标识符 |
---|---|---|---|
2字节 | 2字节 | 2字节 | 1字节 |
含义:
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。
PDU报文结构
PDU结构
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。
主站请求:功能码+数据
从站正常响应:请求功能码+响应数据
从站异常响应:异常功能码+异常码,其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1,异常码指示差错类型
指令实例
查询(功能码0x03)
基本流程就是:
发送:地址 + 我要查 +(寄存器起始地址+个数)+校验
回复:地址 +(回)我要查 +(数据的字节数+数据) +校验
主机发送: 01 03 00 00 00 01 84 0A
含义:
01-地址
03-功能码,代表查询功能,其他功能后面再说
00 00-代表查询的起始寄存器地址.说明从0x0000开始查询.
00 01-代表查询了一个寄存器.结合前面的00 00,意思就是查询从0开始的1个寄存器值;
84 0A-CRC
从机回复: 01 03 02 12 34 B5 33含义:
01-地址
03-功能码
02-代表后面数据的字节数,因为上面说到,一个寄存器有2个字节,所以后面的字节数肯定是2*查询的寄存器个数;
12 34-寄存器的值是12 34,结合发送的数据看出,01这个寄存器的值为12 34
B5 33-CRC校验码
修改单个寄存器(功能码0x06)
主机送: 01 06 00 00 00 01 48 0A
01-从机地址
06-功能码:修改单个寄存器功能,修改有些不同,有修改一个寄存器和修改多个寄存器;
00 00-修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-CRC
从机回复: 01 06 00 00 00 01 48 0A01-从机地址
06-功能码:修改单个寄存器功能;
00 00-修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-CRC
修改多个寄存器(功能码0x10)
主机发送: 01 10 00 00 00 02 04 11 22 33 44 42 5A
01-从机地址
10-功能码,代表修改多个寄存器功能;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 02代表修改的寄存器数量
04 -表示修改的总字节数,由于只修改了1个寄存器,所以数据要有两个字节;
11 22 33 44-表示修改的值,结合上面,就是从第0000寄存器开始修改2寄存器值为11 22 33 44,就是把0000寄存器改为11 22,0001为33 44,
42 5A -循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到22前面为止;
从机回复: 01 10 00 00 00 02 41 C801-从机地址
10-功能码
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 02-代表修改的寄存器数量,只需要回复这么多久足够了,从机告诉主机修改了哪几个寄存器就足够了;
41 C8-循环冗余校验;
java 开发
maven 依赖
xml
<!-- Modbus -->
<dependency>
<groupId>com.infiniteautomation</groupId>
<artifactId>modbus4j</artifactId>
<version>3.1.0</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>com.digitalpetri.modbus</groupId>
<artifactId>modbus-master-tcp</artifactId>
<version>1.2.0</version>
</dependency>
API 实例
第一:建立连接
java
/**
* 获取 Modbus Master
* @return ModbusMaster
* @throws ModbusInitException ModbusInitException
*/
public ModbusMaster getMaster(ModbusConfig modbusConfig) throws ModbusInitException {
log.debug("Modbus Tcp Connection Info {},{}", modbusConfig.getHostName(),modbusConfig.getPort());
ModbusMaster modbusMaster = masterMap.get(modbusConfig.getEquipmentId());
if (null == modbusMaster) {
IpParameters params = new IpParameters();
params.setHost(modbusConfig.getHostName());
params.setPort(modbusConfig.getPort());
**params.setEncapsulated(true);**
modbusMaster = modbusFactory.createTcpMaster(params, true);
modbusMaster.init();
masterMap.put(modbusConfig.getEquipmentId(), modbusMaster);
}
return modbusMaster;
}
注意
这里有一个需要特别关注的地方,
params.setEncapsulated(true)
如果encapsulated=true时:API 在构建消息是会自动加上CRC 校验码。
java
public byte[] getMessageData() {
ByteQueue msgQueue = new ByteQueue();
modbusMessage.write(msgQueue);
ModbusUtils.pushShort(msgQueue, ModbusUtils.calculateCRC(modbusMessage));
return msgQueue.popAll();
}
如果encapsulated=false时:消息会加上事务处理标识,协议标识6个字节:
java
public byte[] getMessageData() {
ByteQueue msgQueue = new ByteQueue();
modbusMessage.write(msgQueue);
ByteQueue xaQueue = new ByteQueue();
ModbusUtils.pushShort(xaQueue, transactionId);
ModbusUtils.pushShort(xaQueue, ModbusUtils.IP_PROTOCOL_ID);
ModbusUtils.pushShort(xaQueue, msgQueue.size());
xaQueue.push(msgQueue);
return xaQueue.popAll();
}
第二: API实例
java
/**
* 读线圈寄存器
* @param modbusMaster
* @param slaveId
* @param initOffset
* @param count
* @return
* @throws ModbusTransportException
*/
private static String batchCoilStatus01(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws ModbusTransportException {
ReadCoilsRequest request= new ReadCoilsRequest(slaveId,initOffset,count);
ReadCoilsResponse response = (ReadCoilsResponse) modbusMaster.send(request);
byte[] data = response.getData();
String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);
return bytes;
}
/**
* 读离散输入寄存器
* @param modbusMaster
* @param slaveId
* @param initOffset
* @param count
* @return
* @throws ModbusTransportException
*/
private static String batchInputStatus02(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws ModbusTransportException {
ReadDiscreteInputsRequest request= new ReadDiscreteInputsRequest(slaveId,initOffset,count);
ReadDiscreteInputsResponse response = (ReadDiscreteInputsResponse) modbusMaster.send(request);
byte[] data = response.getData();
String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);
return bytes;
}
/**
*批量读取保持继承器
* @param modbusMaster
* @param slaveId
* @param initOffset
* @param count
* @return
* @throws ModbusTransportException
*/
private static String batchRead03(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws ModbusTransportException {
ReadHoldingRegistersRequest request= new ReadHoldingRegistersRequest(slaveId,initOffset,count);
ReadHoldingRegistersResponse response = (ReadHoldingRegistersResponse) modbusMaster.send(request);
byte[] data = response.getData();
String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);
return bytes;
}
/**
* 批量读取输入继承器
* @param modbusMaster
* @param slaveId
* @param initOffset
* @param count
* @return
* @throws ModbusTransportException
*/
private static String batchRead04(ModbusMaster modbusMaster ,Integer slaveId,Integer initOffset, Integer count) throws ModbusTransportException {
ReadInputRegistersRequest request= new ReadInputRegistersRequest(slaveId,initOffset,count);
ReadInputRegistersResponse response = (ReadInputRegistersResponse) modbusMaster.send(request);
byte[] data = response.getData();
String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);
return bytes;
}