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title: ModbusTcp
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author: TianZD
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summary: ModbusTcp通讯相关学习笔记，参考多篇博文，其中有些已经找不到原文链接
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- modbus
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- 学习笔记
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- Modbus
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- 转载
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reprintPolicy: cc_by
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abbrlink: c7022bb7
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date: 2022-04-29 13:49:25
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\[toc\]
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# ModBusTCP
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## 术语
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### 寄存器
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> 寄存器的功能是存储[二进制代码](https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E8%BF%9B%E5%88%B6%E4%BB%A3%E7%A0%81/4879654)，它是由具有存储功能的[触发器](https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%A6%E5%8F%91%E5%99%A8/193146)组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。
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PLC中**输入寄存器**和**输出寄存器**均为16位，2个字节
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00：一个字节：0
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00 0A：两个字节：10
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### 校验码
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校验码是由前面的数据通过某种算法得出的，用以检验该组数据的正确性。代码作为数据在向计算机或其它设备进行输入时，容易产生输入错误，为了减少这种输入错误，编码专家发明了各种校验检错方法，并依据这些方法设置了校验码。
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常用的校验有：累加和校验SUM、字节异或校验XOR、纵向冗余校验LRC、循环冗余校验CRC……
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### 离散量输入
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主要用来读取单个位的数据，如IO的状态
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### 线圈
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开关输出信号，主要用来写入单个位的数据，与离散量构成组成对位的操作；
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## ModBus
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### 概述
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一种**应用层协议**
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Modbus通信协议，是Modicon PLC所制定的资料交换通信接口标准，于1979年首先制定串行通信标准（含Modbus异步及Modbus Plus同步），于1997年制定网络通信标准（Modbus/TCP）。是属于OSI所定义的通信层的第七层应用层（Application Layer）。是为**Client/Server**或称为 **Master/Slave**型式的通信协议。由于Modbus的通信协议简单容易设计，结果广被许多控制设备或外围信号设备所采用，因此无形中成为自控业界的标准。Modbus异步的硬件架构简单，被使用的比率最高。Modbus Plus同步的协议可以提供高速的通信速度，适合主控制设备间大量资料交换。Modbus/TCP则是因应Ethernet网络的架构，近年来被大量使用的通信协议，也因为其速度及资料传送量远比Modbus Plus更快更大，所以已渐渐取代其功能。
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Modbus通信协议基本上是遵循MasterandSlave的通信步骤，有一方扮演**Master角色采取主动询问方式**，送出QueryMessage给Slave方，然后由Slave方依据接到的QueryMessage内容准备ResponseMessage回传给Master。即使目前硬件通信已经可以达到双方互相主动通信的能力，但是于Modbus通信协议的规定，必须一方为Master，另一方为Slave不能互换角色。一般使用上，**监控系统(HMI)都为Maste**r，**PLC、电表、仪表等都为Slave**，HMI系统一直PollingSlave的各种relayandregister最新数值，然后做显示及各种逻辑计算及控制调整等处理。
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Modbus大家庭，有三个兄弟：大哥(Modbus-RTU协议)、二哥(Modbus-ASCII协议)和ModbutTcp，都活跃在工业通信领域。大哥和二哥擅长串行通信，比如基于RS485或者RS232的通信，而ModbutTcp则擅长基于以太网的通信。由于底层所使用的结构不同，应用数据单元(Application Data Unit，ADU)有所不同。
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### Modbus协议的数据模型
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[深入理解Modbus协议的数据模型和地址模型](https://zhuanlan.zhihu.com/p/164885080)
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数据模型是对可访问数据的一种抽象，Modbus协议的数据模型定义了四种可访问的数据，分别是：
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- 离散量输入(Discrete Input)；
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- 线圈(Coils)；
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- 输入寄存器(Input registers)；
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- 保持寄存器(Holding registers)；
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其中，离散量输入和线圈只支持以**位(bit)的方式进行访问，输入寄存器和保持寄存器只支持以**字(WORD)**的方式进行访问；离散量输入和输入寄存器只支持以**只读的方式进行访问，而线圈和保持寄存器既可以读也可以写；
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数据模型中成员的特点如下面的表格：
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既然数据模型是一种抽象，在实际使用时必须将其映射到真实的物理存储区才能被访问。
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Modbus协议允许设备将四种数据分别映射到**不同的存储区块**中，各个区块之间相互独立，使用不同的功能码可读取到不同的数值，如下图所示：
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Modbus协议也允许设备将四种数据映射到同一存储区块中，这样通过不同的功能码读取数据可能会得到相同的数据(比如：输入寄存器和保持寄存器为同一物理区块），如下图所示：
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数据模型中的每一种数据都最多允许有65536个元素（编号1~65536），元素的地址编号从0开始，因此地址的范围为：0~65535；
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*需要说明的是：65536只是协议允许的最大元素范围，但并不要求全部实现。Modbus协议允许设备根据自己的实际情况实现部分元素，甚至不要求实现模型中全部四种数据；*
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### Modbus协议的地址模型
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为了简化数据模型与设备存储区的对应关系，引入了一种地址模型。该模型通过编号的方式对不同类型数据进行区分，各数据的地址编号请看下面的表格：
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Modbus地址模型的编号从1开始。
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由于每一种数据都最大支持65536个元素，因此理论上，
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对于线圈型数据来说，其地址范围为：000001\~065536；
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类似的，
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离散量输入，其地址范围为：100001\~165536；
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输入寄存器，其地址范围为：300001\~365536；
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保持寄存器，其地址范围为：400001\~465536；
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由于65536是比较大的数值，实际应用一般不需要这么大的存储区，因此PLC厂家普遍采用的是10000以内的地址范围，即：
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线圈地址范围：00001\~09999；
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离散量输入地址范围：10001\~19999；
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输入寄存器地址范围：30001\~39999；
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保持寄存器地址范围：40001\~49999；
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有了该地址模型，我们就可以从Modbus寄存器的地址判断要访问的区块的类型。比如本文开头提到到地址40001就是保持存储器的第一个值的地址，而10001就是离散量输入的第一个值的地址；要注意的是，保持寄存器和输入寄存器的每个值的大小为16bits(字），而线圈和离散量输入每个值的大小为1bit(位）；
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各PLC厂家根据PLC的实际情况，将Modbus的地址模型映射到实际的存储区。一般来说，线圈对应过程输出映像区(Q)；离散量输入对应过程输入映像区(I)；输入寄存器对应模拟量输入(AI)；保持寄存器对应数据块或V存储区或M存储区。
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### 协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）
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协议数据单元由功能码+数据构成，如下面这张图：
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**功能码**的长度为**1个字节**，它表示要执行的功能。比如常见的：**01读取线圈；02读取离散量输入值；03读取保持寄存器值；05写单个线圈等**；
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**数据**部分的长度为0\~252个字节，它表示要读的地址或者要写入的值，不同的功能码对应的数据有所不同。比如01功能码，其数据为4个字节，其中前两个字节表示要读取的线圈的地址，后两个字节表示要读取线圈的数量；而对于05功能码，其数据也是4个字节，前两个字节表示要写入线圈的地址，后面两字节表示要写入的值。
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协议数据单元有三种类型：**请求型协议数据单元(Request PDU）**、**应答型协议数据单元(Response PDU)**、及**异常应答型协议数据单元(Exception Response PDU)**
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协议数据单元是家族的**通用数据结构**，它**与底层物理结构无关**，三兄弟都使用相同的协议数据单元。
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Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)。特定总线或网线路上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。
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### Modbus常用功能码
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/145546574
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https://blog.csdn.net/sgmcumt/article/details/87435191?spm=1001.2014.3001.5502
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**功能码**的长度为**1个字节**，它表示要执行的功能。比如常见的：**01读取线圈；02读取离散量输入值；03读取保持寄存器值；05写单个线圈等**；
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#### 01(0x01)读线圈
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1）功能：读取从站（远程设备）的1\~2000个连续线圈的状态数值；读取采用起始地址+线圈数量的方式；
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2）操作方式：位操作；
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3）说明：Modbus1号线圈的地址为0，2号线圈的地址为1，以此类推；因此，假设要读取1~10号线圈的值，其寄存器地址范围为：0~9；（相对地址？？）
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4）发送指令示例：
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假设从站地址为0x03，要读取编号从33~42的10个连续线圈的状态值，其寄存器地址范围为：0x0020~0x0029，则发送指令下图所示：
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5）应答格式：
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应答数据包括：从站地址+功能码+返回字节数+数据值+校验码
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其中，线圈的状态以位的形式返回。状态为ON时，其值为1；状态为OFF时，其值为0；
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数据以小端（Little Endian）的形式进行组织。即先存放LSB（最低权重位），再存放MSB。
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每8个位组成一个字节，**当线圈的数量不是8的倍数时，剩余的位数添0补位。**
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本例程读取**10个线圈，10/8商1余2，因此需要2个字节存放应答数据。**
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字节1存放线圈编号33\~40的数值（小端字节序，线圈40的值存放在bit7，线圈33的值存放在bit0）；
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字节2存放线圈编号41\~42的数值，剩余位数添0补位；
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假设线圈状态及数值如下面两张图所示：
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则，应答字节1的值为：11001011=0xCB；
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应答字节2的值为：10=0x02
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应答消息帧下图所示：
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#### 02(0x02)读离散量输入
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1）功能：读取从站1\~2000个连续离散量输入的状态值；读取采用起始地址+通道数量的方式；
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2）操作方式：位操作；
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3）离散量输入通道地址编号从1开始，寄存器地址编号从0开始；
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4）发送指令示例：
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假设要读取从站地址为0x03的第110\~119个数字量输入通道的数值，则发送指令如下图所示：
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5）应答：应答格式与功能码01H类似
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应答数据包括：从站地址+功能码+返回字节数+数据值+校验码
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假设应答字节1的数据如下图所示：
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应答字节2的内容如下图所示：
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应答消息帧如下图所示：
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#### 03(0x03)读保持寄存器
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1）功能：读取远程从站若干个保持寄存器（Holding Register）的数值；
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2）操作方式：每个保持存储器的数值以字（2个字节）的形式进行应答；
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3）发送指令：
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假设要读取从机地址0x03的108~110保持存储器的数值，其寄存器地址范围为：0x006B~0x006D，指令格式如下图所示：
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4）应答：
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从站应答数据包括：从站地址+功能码+应答字节数+寄存器1高字节+寄存器1低字节+...+寄存器N高字节+寄存器N低字节
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假设编号108\~110保持寄存器的数值如下图所示：
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#### 04(0x04)读输入寄存器
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1）功能：读1\~125个连续输入寄存器（Input Register）的数值；
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2）操作方式：每个输入寄存器存储器的数值以字（2个字节）的形式进行应答；
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3）发送指令：
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假设要读取从机地址0x03的9-10号输入存储器的数值，其寄存器地址范围为：0x0008\~0x0009，指令格式如下图所示：
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4）应答：
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从站应答数据包括：从站地址+功能码+应答字节数+寄存器1高字节+寄存器1低字节+...+寄存器N高字节+寄存器N低字节（与功能码03H类似）
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假设寄存器的数据如下图所示：
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#### 05(0x05)写单个线圈
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1）功能：对单个线圈进行写操作。线圈编号从1开始，地址从0开始。写值0xFF00表示将线圈置为ON，写值0x0000表示将线圈置为OFF，其它值是无效的；
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2）操作方式：位操作
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3）发送指令：
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假设要将从站地址0x03的第33个线圈（地址：0x0020）的值设置ON，指令如下图所示：
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4）应答：
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从站应答数据包括：从站地址+功能码+寄存器地址+写入值
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如果数据成功写入，则应答数据与请求数据一样，如下图所示：
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#### 06(0x06)写单个寄存器
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**写单个寄存器**
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在一个远程设备中，使用该功能码写单个保持寄存器。
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请求 PDU 说明了被写入寄存器的地址。从零开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器 1 为 0。
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正常响应是请求的应答，在写入寄存器内容之后返回这个正常响应。
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这是一个请求将十六进制 00 03 写入寄存器2的实例：
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#### 15 (0x0F) 写多个线圈
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在一个远程设备中，使用该功能码强制线圈序列中的每个线圈为 ON 或 OFF。请求 PDU 说明了强制的线圈参考。从零开始寻址线圈。因此，寻址线圈 1 为 0。
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请求数据域的内容说明了被请求的 ON/OFF 状态。域比特位置中的逻辑“1”请求相应输出为ON。域比特位置中的逻辑“0”请求相应输出为 OFF。
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正常响应返回功能码、起始地址和强制的线圈数量。
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这是一个请求从线圈 20 开始写入 10 个线圈的实例：
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请求的数据内容为两个字节：十六进制 CD 01 (二进制 1100 1101 0000 0001)。使用下列方法，二进制比特对应输出。
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传输的第一字节(十六进制 CD)寻址为输出 27-20，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（20）。
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传输的下一字节(十六进制 01)寻址为输出 29-28，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（28）。
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应该用零填充最后数据字节中的未使用比特。
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#### 16 (0x10) 写多个寄存器
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在一个远程设备中，使用该功能码写连续寄存器块(1 至约 120 个寄存器)。
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在请求数据域中说明了请求写入的值。每个寄存器将数据分成两字节。
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正常响应返回功能码、起始地址和被写入寄存器的数量。
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#### 23 (0x17) 读/写多个寄存器
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在一个单独 MODBUS 事务中，这个功能码实现了一个读操作和一个写操作的组合。从零开始寻址保持寄存器。因此，寻址保持寄存器 1-16为0-15。
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请求说明了起始地址、被读取的保持寄存器号和起始地址、保持寄存器号以及被写入的数据。在写数据域中，字节数说明随后的字节号。
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正常响应包括被读出的寄存器组的数据。在读数据域中，字节数域说明随后的字节数量。
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这是一个请求从寄存器4开始读六个寄存器并且从寄存器15开始读三个寄存器的实例：
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## ModBusTCP
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### 初识
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#### 概述
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> MODBUS/TCP 使MODBUS_RTU协议运行于以太网，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太网在站点间传送**MODBUS报文**，MODBUS TCP结合了以太网物理网络和网络标准TCP/IP以及以MODBUS作为应用协议标准的数据表示方法。MODBUS TCP通信报文被封装于以太网TCP/IP数据包中。与传统的串口方式，MODBUS TCP插入一个标准的MODBUS报文到TCP报文中，不再带有数据校验和地址。
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简单的理解一下[Modbus](https://so.csdn.net/so/search?q=Modbus&spm=1001.2101.3001.7020) TCP/IP协议的内容，就是**去掉了**modbus协议本身的**CRC校验**，**增加了MBAP 报文头**。TCP/IP上的MODBUS的请求/响应如下图所示：
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#### 网络模型
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通讯使用的以太网参考模型：
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Modbus TCP传输过程中使用了TCP/IP以太网参考模型的5层：
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第一层：物理层，提供设备物理接口，与市售介质/网络适配器相兼容
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第二层：数据链路层，格式化信号到源/目硬件址数据帧
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第三层：网络层，实现带有32位IP址IP报文包
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第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度
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第五层：应用层，Modbus协议报文
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在网络通信中，通常需要写明IP地址和端口号，为什么ADU中没有相关的内容呢？
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其实这是因为是一个应用层的协议，而IP地址和端口号属于传输层/网络层的协议。看图：
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逻辑上是在TCP层上的。在发送数据的时候，应用数据单元首先向下传送给传输层，加上TCP协议的报文；再传送给网络层，加上IP协议的报文；再向下传送给数据链路层及物理层；接收的过程正好相反，从物理层一层一层的去掉相应层的报文，最终到达应用层。所以在进行数据传输的时候，是要配合TCP/IP协议来使用的。通常如果你使用电脑编程，就要用到SOCKET技术；如果是使用PLC编程，通常厂家已经把底层通信封装成库指令了，你只要直接调用就好了。比如西门子S7-200 SMART/1200/1500等PLC都有现成的Modbus-TCP指令库。
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在Modbus服务器中按缺省协议使用Port 502 通信端口，在Modbus客户器程序中设置任意通信端口，为避免与其他通讯协议的冲突一般建议2000开始可以使用。
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#### 通讯过程举例
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在读寄存器的过程中，以Modbus TCP请求报文为例,具体的数据传输过程如下：
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\\1) Modbus TCP客户端实况，用Connect()命令建立目标设备TCP 502端口连接数据通信过程；
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\\2) 准备Modbus报文，包括7个字节MBAP内请求；
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\\3) 使用send()命令发送；
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\\4) 同一连接等待应答；
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\\5) 同recv()读报文，完成一次数据交换过程；
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\\6) 当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。
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### MBAP报文
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MBAP是英文"ModBus APlication"的缩写，即"应用数据单元"的意思。
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首先来看一下，MBAP 报文头都包括了哪些信息和内容
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* **事务元标识符（2个字节）：用于事务处理配对**。在响应中，MODBUS服务器复制请求的事务处理标识符。这里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**TCP序列号**，来防止这种情况所造成的数据收发错乱（这里我们先不讨论这种情况，这个事务处理标识符我们统一使用0x00，0x01）
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* **协议标识符（2个字节）**：modbus协议标识符为0x00，0x00
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* **长度（2个字节）**：长度域是下一个域的字节数，包括单元标识符和数据域。
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* **单元标识符（1个字节）**：该设备的编号。（可以使用PLC的IP地址标识）。
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**对 TCP/IP 来说，利用IP地址寻址MODBUS服务器；因此，MODBUS单元标识符是无用的。必需使用值0xFF。**
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**注：0也可以用作与MODBUS/TCP设备直接通信。**
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### 请求和响应
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#### MODBUS请求的生成
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在收到来自用户应用的需求后，客户端必须生成一个MODBUS请求，并发送到TCP管理。下表显示MODBUS请求ADU编码：
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#### MODBUS响应的生成
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一旦处理请求，MODBUS 服务器必须使用适当的MODBUS服务器事务处理生成一个响应，并且必须将响应发送到TCP管理组件。
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根据处理结果，可以生成两类响应：
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* 肯定的MODBUS响应：
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* 响应功能码 = 请求功能码
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* MODBUS异常响应：
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* 目的是为客户机提供与处理过程检测到的错误相关的信息
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* 响应功能码 = 请求功能码+0x80
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* 提供异常码来表明出错的原因。
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### SIMATIC S7-1200/S7-1500存储区寻址
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| 存储区 | Modbus 设备中应用层的地址 | 传输报文中 Modbus 地址（数据链路层） |
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| -------------------- | ---------------------------------------------- | ------------------------------------ |
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| 线圈（输出） | 1 to 9999 | 0 to 9998 |
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| 离散输入（输入） | 10001 to 19999 | 0 to 9998 |
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| 输入寄存器（输入字） | 30001 to 39999 | 0 to 9998 |
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| 保持寄存器（输出字） | 40001 to 49999 400001 to 465536 扩展的地址空间 | 0 to 9998 0 to 65535 |
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### 实例
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*注意：MB_HOLD_REG中的数量不能大于数据块中数据的数量*
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保持性寄存器示例如下，有word（两个字节，16位）类型和Real（4个字节，32位）两种组成，
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注意：一个保持性寄存器为16位，两个字节，因此一个**real类型**占用**两个保持性寄存器**
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发送读取请求，需要从0位（00 00）开始，读取15（00 0f）个保持性寄存器：
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发送请求：
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00 00 00 00 00 06 FF 03 00 00 00 0f
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```
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收到回复：
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```
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00 00 00 00 00 21 FF 03 1E 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 40 D3 33 33 40 F6 66 66 41 0C CC CD 41 1E 66 66 BF 80 00 00
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```
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其中a1-a5为word类型，分别占用一个保持性寄存器，两个字节表示，如a1（1）表示为：00 01
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a6-a10为real类型，占用了两个保持性寄存器，用4个字节表示，如a6（6.6）表示为：40 D3 33 33，a10（-1.0）表示为：BF 80 00 00
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注意：浮点数表示遵循[IEEE 754标准](https://www.cnblogs.com/MikeZhang/p/IEEE754FloatEncode20180117.html)，在线转换：http://www.speedfly.cn/tools/hexconvert/
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## ModbusTCP QT编程
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### QModBusTcpClient类
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QModBusTcpClient类>>QModbusClient>>QModbusDevice>>QObject
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#### 信号
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| 信号 | |
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| ------------- | ------------------------------------------------------------ |
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| errorOccurred | 有错误时发出 |
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| stateChanged | 每当设备的状态发生变化时，就会发出这个信号。新状态由状态表示。 |
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| finished() | 该信号在应答完成处理时发出。回复可能仍然返回了一个错误。在发出此信号后，应答的数据将不再有更新。 |
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#### 函数
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| ------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
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| Error error() | 返回设备的错误状态 |
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| QString errorString() | 返回设备错误的描述性错误文本。 |
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| void disconnectDevice() | 断开连接的设备。 |
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| setConnectionParameter() | |
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| setTimeout() | |
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| setNumberOfRetries() | |
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| bool connectDevice() | 用于设备接入Modbus网络。成功时返回true;否则错误。 |
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| QMODBUSREPLY sendReadRequest() | 发送读请求 |
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| sendWriteRequest（） | 发送一个读取read所指向数据的内容的请求。如果没有错误发生，返回一个新的有效的QModbusReply对象，否则为nullptr。Modbus网络可以有多个服务器，每个服务器都有唯一的serverAddress。 |
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| bool isFinished() | 当回复完成或中止时返回true。 |
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