Modbus协议和应用开发介绍

时间 2020-04-10

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因业务须要了解Modbus协议的使用，所以对Modbus的协议，以及相应的C#处理应用进行了解，针对协议的几种方式（RTU、ASCII、TCPIP）进行了封装，以及对Modbus的各类功能码的特色进行了详细的了解，本篇随笔基于这些知识进行了必定的梳理和介绍，主要内容包括Modbus协议简要介绍、Modbus模拟工具使用和Modbus应用开发几个部分。数据库

1）Modbus协议简要介绍

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。经过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间能够通讯。它已经成为一通用工业标准。有了它，不一样厂商生产的控制设备能够连成工业网络，进行集中监控。服务器

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而无论它们是通过何种网络进行通讯的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，若是回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。网络

当在一Modbus网络上通讯时，此协议决定了每一个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。若是须要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。ide

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。函数

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。工具

标准的Modbus协议物理层接口有RS23二、RS42二、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通讯。学习

对于串行链接，存在两个变种，它们在数值数据表示不一样和协议细节上略有不一样。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通讯（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通讯，反之亦然。
对于经过TCP/IP（例如以太网）的链接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不须要校验和计算。
对于全部的这三种通讯协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不一样的。
Modbus有一个扩展版本Modbus Plus（Modbus+或者MB+），不过此协议是Modicon专有的，和Modbus不一样。它须要一个专门的协处理器来处理相似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，而且每一个节点都有转换隔离装置，是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。链接Modbus Plus到计算机须要特别的接口，一般是支持ISA（SA85），PCI或者PMCIA总线的板卡。测试

MODBUS 协议定义了一个与基础通讯层无关的简单协议数据单元（PDU）。this

Modbus串行连路上的的PDU以下所示。spa

错误检验域是对报文内容执行"冗余校验" 的计算结果。根据不一样的传输模式(RTU or ASCII) 使用两种不一样的计算方法。

RTU的报文格式以下所示。

ASCII码的报文格式以下所示。

在 ASCII 模式，报文用特殊的字符区分帧起始和帧结束。一个报文必须以一个‘冒号’ ( : ) (ASCII 十六进制3A )起始，以‘回车-换行’ (CR LF) 对(ASCII 十六进制0D 和0A) 结束。

而Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。

MBAP Header长度共7个字节，分别为Transaction identifier(事务标识符),Protocol identifier(协议标识符),Length(长度),

Unitidentifier(单元标识符)组成，具体以下表所示：

请求和响应带有六个字节的前缀，以下：
      byte 0:     事务处理标识符 –由服务器复制 –一般为 0
      byte 1:     事务处理标识符 –由服务器复制 –一般为 0
      byte 2:     协议标识符= 0
      byte 3:     协议标识符= 0
      byte 4:     长度字段（上半部分字节） = 0 (全部的消息长度小于256)
      byte 5:     长度字段 (下半部分字节)   = 后面字节的数量
      byte 6:     单元标识符 (原“从站地址”)
      byte 7:     MODBUS 功能代码
      byte 8 on:   所需的数据

数据区：数据区是根据不一样的功能码而不一样。数据区能够是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。

标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通信采用Maser/Slave方式。
Modbus协议须要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验.
ModbusTCP模式没有额外规定校验，由于TCP协议是一个面向链接的可靠协议。

对于常规的Modbus串口协议，咱们来看看03功能码的读取寄存器的操做请求和响应代码了解下。

请求PDU格式以下所示。

响应的PDU格式以下所示。

一个请求读寄存器108-110 的实例：

能够注意到，不少数据的处理，须要拆分高位低位，高位在前，低位在后的模式。

根据这些RTU、ASCII、TCPIP的Modbus协议的不一样，咱们能够构建一个通用的处理程序来处理这些操做，在后面的应用开发部分继续介绍。

2）Modbus模拟工具使用

通常在作Mobus前期的开发的时候，通常不是针对具体的Modbus设备进行寄存器的处理，而是使用Modbus模拟工具来进行调试，通常咱们须要配合Modbus Slave、Modbus Poll、Virtual Serial Port Driver这几个模拟软件来进行开发的。

Modbus Poll ：Modbus主机仿真器，用于测试和调试Modbus从设备。该软件支持Modbus的RTU、ASCII、TCP/IP。用来帮助开发人员测试Modbus从设备，或者其它Modbus协议的测试和仿真。

Modbus Slave： Modbus从设备仿真器，能够仿真32个从设备/地址域。每一个接口都提供了对EXCEL报表的OLE自动化支持。主要用来模拟Modbus从站设备,接收主站的命令包,回送数据包。帮助Modbus通信设备开发人员进行Modbus通信协议的模拟和测试，用于模拟、测试、调试Modbus通信设备。

Virtual Serial Port Driver：虚拟串口工具，不须要串口接线，提供虚拟的串口，适合学习和调试使用。

配合这几款软件，咱们就能够实现串口Modbus协议的模拟测试了，若是咱们使用Modbus的TCPIP协议，那么咱们不须要VSPD也能够。

若是咱们使用Modbus协议的串口通信方式，那么咱们先要使用VSPD进行串口的配对模拟，模拟出两个通信的串口端口，端口配对模拟成功后，咱们能够看到设备管理器中增长了两个端口了。

接着使用从机模拟器，模拟一个Modbus从机供测试，经过菜单【Connection】【Connect】启动，咱们选择链接方式为串口，端口则选择咱们配对的其中一个端口便可，以下图所示。

其中模式选择RTU或者ASCII均可以，这两个模式协议有所不一样，一旦从机选择RTU模式，那么Modbus主机也须要选择对应的RTU模式，反之亦然。

其余串口设置，如波特率、数据位、奇偶位、中止位等默认配置便可。

若是咱们选择TCPIP模式，那么对应Modbus主机也须要选择TCPIP方式。

一旦Modbus从机启动，就会处理来自Modbus主机的指令请求（若是有的话），并作相应处理，咱们能够经过【Display】【Communication】菜单弹出的对话框，了解到对应请求和应答的协议详细信息。

Modbus主机的启动和ModBus从机相似，咱们根据ModBus从机的配置，选择对应的主机配置，Modbus模拟主机启动和查看通信记录界面以下所示。

另外咱们能够经过【Display】里面选择内容显示的进制格式。

在从机的设置里面，咱们能够修改从机的定义信息，以便设置对应的从机ID，功能码，其实地址，长度或者数量的信息，以下界面所示。

咱们能够根据实际的寄存器地址和数量，设置对应的数值，以下是显示4个数据的内容设置和显示内容。

设置后正常的内容显示以下。

同时咱们也须要设置对应Modbus主机模拟器的地址和数量，正确设置后能够正常显示。

经过更深一步的设置或者调整，咱们能够极大程度的进行模拟Modbus实际设备的处理方式，从而在没有实际Modbus硬件设备的状况下尽量经过前期的模拟完成常规功能的测试和准备。

在咱们开发Modbus应用的时候，咱们对照相应的主从机Modbus协议请求和应答，可以检查咱们程序的输出是否正常，从而能够快速的开发Modbus的应用处理功能。

3）Modbus应用开发

为了模拟对接Modbus的RTU、ASCII、TCP/IP协议处理，我根据不一样协议的处理方式定义了一个辅助函数，而后统一进行处理，以便达到统一调用的处理便利。

首先咱们来看看使用串口模式下（RTU、ASCII）的处理界面效果，这个直接获取模拟器Modbus Slave从机的数值进行显示的。

TCPIP网络方式对接Modbus界面处理效果以下所示。

二者数据均来源于Modbus Slave从机的数值，只是它们对接的方式不一样。

串口的处理，我经过SerialPortUtil类来使用Windows的串口类，处理对应的串口操做，经过定义事件的方式，使得串口收到数据的时候，及时通知调用者进行界面更新处理便可。

//使用字符串参数构造
serial = new SerialPortUtil(portname, this.txtBaudRate.Text, this.txtParity.Text, this.txtDataBits.Text, this.txtStopBit.Text);
//收到数据处理的事件
serial.DataReceived += Serial_DataReceived;
serial.RTUMode = this.radRTU.Checked;//默认RTU模式为True，不然使用ASCII模式

收到数据后，及时经过委托方式，通知UI进行界面的更新显示。

/// <summary>
/// 收到串口响应事件后，及时进行处理（更新在界面上）
/// </summary>
/// <param name="e"></param>
private void Serial_DataReceived(DataReceivedEventArgs e)
{
    //记录在日志，方便复制
    LogTextHelper.Info(e.DataReceived);

    //使用委托进行处理界面控件的数据更新
    this.txtResponse.Invoke(new MethodInvoker(()=> 
    {
        //显示在界面上
        this.txtResponse.AppendText(e.DataReceived);
        this.txtResponse.AppendText(Environment.NewLine);

        var dataBytes = e.BytesReceived;
        if(dataBytes != null && dataBytes.Length > 2)
        {
            var function = dataBytes[1];
            if(function > 0x80)//128
            {
                //Modbus的异常代码大于128，若是是异常，则能够解析错误
                var newFunction = function - 0x80;
                lblTips.Text = "响应有异常，功能代码：" + newFunction.ToString("D2");
                lblTips.Text += ",错误描述：" + ((ModBusExceptionCode)newFunction).ToString();
            }
            else
            {
                lblTips.Text = "响应正常";//小于128的为正常响应
            }
        }
    }));
}

而对于网络方式，咱们先要定义一个Socket通信的基类，封装相关的通信处理操做。

而后简单构建一个子类进行使用，以下所示。

    /// <summary>
    /// 通讯类子类
    /// </summary>
    public class ModbusClient : BaseSocketClient
    {
        public ModbusClient()
        {
            this.Name = "ModbusClient";
        }
    }

界面处理的时候，咱们只须要初始化一个ModbusClient类来使用便可，以下代码所示。

client = new ModbusClient();
//收到数据处理的事件
client.DataReceived += Client_DataReceived;

收到数据通知界面进行更新的操做以下所示。

private void Client_DataReceived(DataReceivedEventArgs e)
{
    //记录在日志，方便复制
    LogTextHelper.Info(e.DataReceived);

    //使用委托进行处理界面控件的数据更新
    this.txtResponse.Invoke(new MethodInvoker(() =>
    {
        this.txtResponse.AppendText(e.DataReceived);
        this.txtResponse.AppendText(Environment.NewLine);

        var dataBytes = e.BytesReceived;
        if (dataBytes != null && dataBytes.Length > 2)
        {
            //串口功能码为第二个字节，TCP/IP功能码为第8个
            var function = dataBytes[7];
            if (function > 0x80)//128
            {
                //Modbus的异常代码大于128，若是是异常，则能够解析错误
                var newFunction = function - 0x80;
                lblTips.Text = "响应有异常，功能代码：" + newFunction.ToString("D2");
                lblTips.Text += ",错误描述：" + ((ModBusExceptionCode)newFunction).ToString();
            }
            else
            {
                lblTips.Text = "响应正常";//小于128的为正常响应
            }
        }
    }));
}

不论是串口的RTU或者ASCII，又或者是TCPIP的协议，咱们能够经过定义一个协议封装的辅助类ModbusQueryHelper来处理协议的具体细节。

    /// <summary>
    /// Modbus查询消息生成辅助类，能够用于串口RTU/ASCII协议，也能够用于TCPIP协议。
    /// 用于生成各类功能代码的消息内容。
    /// </summary>
    public class ModbusQueryHelper
    {
        /// <summary>
        /// 是否为RTU模式，默认为True，不然为ASCII方式
        /// </summary>
        public ModbusProtocol Protocol { get; set; } = ModbusProtocol.RTU;

        /// <summary>
        /// 默认函数
        /// </summary>
        public ModbusQueryHelper()
        {
        }

        /// <summary>
        /// 参数化构造，指定RTU模式
        /// </summary>
        /// <param name="protocal">Modbus协议：ASCII,RTU, TCP，默认为RTU</param>
        public ModbusQueryHelper(ModbusProtocol protocal)
        {
            this.Protocol = protocal;
        }

而其中ModbusProtocol是一个枚举，定义以下所示。

    /// <summary>
    /// 几种经常使用的Modbus协议
    /// </summary>
    public enum ModbusProtocol
    {
        /// <summary>
        /// 串口的ASCII模式
        /// </summary>
        ASCII,
        /// <summary>
        /// 串口的RTU模式
        /// </summary>
        RTU, 
        /// <summary>
        /// 网络TCPIP模式
        /// </summary>
        TCP
    }

咱们经过ModbusQueryHelper 类，能够处理不一样协议之间的封装细节，并能够对各类功能码的协议进行封装处理。

以上就是相关Modbus的应用处理和封装，对于常规的Modbus协议能够极大简化对接处理，在实际对接Modbus设备的时候，咱们只须要根据对应的说明书，获取对应的内容，就能够把例如温度、湿度、转速等一些设备或者机器人的参数得到，并记录在数据库里面，而后在应用模块中整合一些图表展现就能够很好的实现看板功能了。