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Modbus协议

1.概述

概念

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

优势

Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求 Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等 Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络

通讯方式

1、ASCII模式当控制器设为在Modbus网络上以ASCII模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

2、RTU模式当控制器设为Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

3、Modbus TCP 在Modbus TCP/IP协议中,串行链路中的主/从设备分别演变为客户端/服务器端设备。即客户端相当于主站设备,服务器端相当于从站设备。基于TCP/IP网络的传输特性,串行链路上一主多从的构造也演变为多客户端/多服务器端的构造模型。Modbus TCP/IP服务器端通常使用端口502作为接收报文的端口, IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口号为502，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。

2.组成

物理模型

线圈寄存器：实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit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。比如控制外部8路io的高低。线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f

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。比如我读取外部按键的按下还是松开。所以功能码也简单就一个读的 0x02

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。一般对应参数设置，比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10

输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。对应的功能码也就一个 0x0

ModbusTCP数据帧: MBAP + PDU

MBAP（报文头）

内容大小描述00 002字节报文的序列号，一般通信之后要加1来区分不同的通信数据报文。00 002字节00 00标识Modus TCP协议00 062字节数据的长度，单位字节011字节设备地址

PDU（数据体）

功能码（1字节）+数据（不确定）

例如

0x03 : 读保持寄存器

请求：MBAP（7字节）功能码（1字节）起始地址（2字节）寄存器数量（2字节）

响应：MBAP（7字节）功能码（1字节）数据长度（1字节）数据n个（2n字节）

请求

00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03

00 01 ：代表该连接的第1个请求

00 00 ：代表Modbus TCP协议

00 06 ：后面数据长度，单位字节

01 ：设备地址

03 ：功能码

00 00 ：起始地址

00 03 ：寄存器数量

响应

00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

06 ：后面数据长度

00 21 00 00 00 00：标识三个寄存器中的值（00 21代表第一个，00 00 第二， 00 00 第三个）

功能码

0x01: 读线圈寄存器

0x02: 读离散输入寄存器

0x03: 读保持寄存器

0x04: 读输入寄存器

0x05: 写单个线圈寄存器

0x06: 写单个保持寄存器

0x0f: 写多个线圈寄存器

0x10: 写多个保持寄存器

3.虚拟机

下载地址： Modbus Slave Sim V3.2 x 64

1.进入页面

2.连接

3.配置选择不同的寄存器/线圈

4.Java实现

关于Modbus相关的jar包

Jamod：Java Modbus实现：Java Modbus库。该库由Dieter Wimberger实施。ModbusPal：ModbusPal是一个正在进行的Java项目，用于创建逼真的Modbus从站模拟器。由于预定义的数学函数和/或Python脚本，寄存器值是动态生成的。ModbusPal依赖于RxTx进行串行通信，而Jython则依赖于脚本支持Modbus4J：Serotonin Software用Java编写的Modbus协议的高性能且易于使用的实现。支持ASCII，RTU，TCP和UDP传输作为从站或主站，自动请求分区，响应数据类型解析和节点扫描JLibModbus：JLibModbus是java语言中Modbus协议的一种实现。jSSC和RXTX用于通过串行端口进行通信。该库是一个经过积极测试和改进的项目。

代码使用 Modbus4J 来演示

引入Modbus4Jjar包

com.infiniteautomation

modbus4j

3.0.4

false

true

ias-snapshots

Infinite Automation Snapshot Repository

https://maven.mangoautomation.net/repository/ias-snapshot/

true

false

ias-releases

Infinite Automation Release Repository

https://maven.mangoautomation.net/repository/ias-release/

代码实现读取和写入

import com.serotonin.modbus4j.ModbusFactory;

import com.serotonin.modbus4j.ModbusMaster;

import com.serotonin.modbus4j.code.DataType;

import com.serotonin.modbus4j.exception.ErrorResponseException;

import com.serotonin.modbus4j.exception.ModbusInitException;

import com.serotonin.modbus4j.exception.ModbusTransportException;

import com.serotonin.modbus4j.ip.IpParameters;

import com.serotonin.modbus4j.locator.BaseLocator;

import com.serotonin.modbus4j.msg.*;

/**

* Modbus 工具类

public class ModbusUtils {

/**

* 工厂

static ModbusFactory modbusFactory;

static ModbusMaster modbusMaster;

static {

if(modbusFactory == null){

modbusFactory = new ModbusFactory();

}

/**

* 获取master

* @return

public static ModbusMaster getMaster() throws ModbusInitException {

if(modbusMaster == null){

IpParameters ipParameters = new IpParameters();

ipParameters.setHost("127.0.0.1");

ipParameters.setPort(502);

modbusMaster = modbusFactory.createTcpMaster(ipParameters, true);

modbusMaster.init();

return modbusMaster;

}

return modbusMaster;

}

/**

* 读取线圈开关状态数据 0x01

* @param slaveId

* @param offset

* @return

* @throws ModbusInitException

* @throws ModbusTransportException

* @throws ErrorResponseException

public static Boolean readCoilStatus(int slaveId,int offset) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {

BaseLocator coilStatus = BaseLocator.coilStatus(slaveId, offset);

Boolean res = getMaster().getValue(coilStatus);

return res;

}

/**

* 读离散输入寄存器状态数据 0x02

* @param slaveId

* @param offset

* @return

* @throws ModbusInitException

* @throws ModbusTransportException

* @throws ErrorResponseException

public static Boolean inputStatus(int slaveId,int offset) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {

BaseLocator inputStatus = BaseLocator.inputStatus(slaveId, offset);

Boolean res = getMaster().getValue(inputStatus);

return res;

}

/**

* 读保持寄存器数据 0x03

* @param slaveId

* @param offset

* @param dataType

* @return

* @throws ModbusInitException

* @throws ModbusTransportException

* @throws ErrorResponseException

public static Number holdingRegister(int slaveId, int offset, int dataType) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {

BaseLocator holdingRegister = BaseLocator.holdingRegister(slaveId, offset, dataType);

Number value = getMaster().getValue(holdingRegister);

return value;

}

/**

* 读输入寄存器数据 0x04

* @param slaveId

* @param offset

* @param dataType

* @return

* @throws ModbusInitException

* @throws ModbusTransportException

* @throws ErrorResponseException

public static Number inputRegister(int slaveId, int offset, int dataType) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {

BaseLocator inputRegister = BaseLocator.inputRegister(slaveId, offset, dataType);

Number value = getMaster().getValue(inputRegister);

return value;

}

/**

* 写线圈开关状态数据 0x05

* @param slaveId

* @param offset

* @param status

* @return

* @throws ModbusTransportException

* @throws ModbusInitException

public static Boolean writeCoilStatus(int slaveId,int offset,boolean status) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {

boolean coilValue = status;

WriteCoilRequest coilRequest = new WriteCoilRequest(slaveId, offset, coilValue);

WriteCoilResponse coilResponse = (WriteCoilResponse) getMaster().send(coilRequest);

return !coilResponse.isException();

}

/**

* 写单个保持寄存器数据 0x06

* @param slaveId

* @param offset

* @param vlaue

* @return

* @throws ModbusTransportException

* @throws ModbusInitException

public static Boolean writeRegister(int slaveId,int offset,int vlaue) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {

WriteRegisterRequest registerRequest = new WriteRegisterRequest(slaveId,offset,vlaue);

WriteRegisterResponse registerResponse = (WriteRegisterResponse) getMaster().send(registerRequest);

return !registerResponse.isException();

}

/**

* 写线圈开关状态数据【多】 0x0f

* @param slaveId

* @param offset

* @param booleans

* @return

* @throws ModbusTransportException

* @throws ModbusInitException

public static Boolean writeCoils(int slaveId,int offset,boolean[] booleans) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {

WriteCoilsRequest writeCoils = new WriteCoilsRequest(slaveId, offset, booleans);

WriteCoilsResponse coilsResponse = (WriteCoilsResponse) getMaster().send(writeCoils);

return !coilsResponse.isException();

}

/**

* 写保存寄存器数据【多】 0x10

* @param slaveId

* @param offset

* @param nums

* @return

* @throws ModbusTransportException

* @throws ModbusInitException

public static Boolean writeRegisters(int slaveId,int offset,short[] nums) throws ModbusTransportException, ModbusInitException {

WriteRegistersRequest writeRegisters = new WriteRegistersRequest(slaveId, offset, nums);

WriteRegistersResponse registersResponse = (WriteRegistersResponse) getMaster().send(writeRegisters);

return !registersResponse.isException();

}

public static void main(String[] args) throws ModbusInitException, ModbusTransportException, ErrorResponseException {

// 01测试

// Boolean v0001 = readCoilStatus(1, 0);

// Boolean v0002 = readCoilStatus(1, 1);

// Boolean v0008 = readCoilStatus(1, 7);

// System.out.println("get v0001 :" + v0001);

// System.out.println("get v0002 :" + v0002);

// System.out.println("get v0008 :" + v0008);

// 03测试

// Number v0001 = holdingRegister(136, 3, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// Number v0003 = holdingRegister(1, 2, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// Number v0009 = holdingRegister(1, 8, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// System.out.println("get v0001 result:" + v0001);

// System.out.println("get v0003 result:" + v0003);

// System.out.println("get v0009 result:" + v0009);

// 04测试

// Number v0001 = inputRegister(136, 0, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// Number v0003 = inputRegister(136, 2, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// Number v0009 = inputRegister(136, 8, DataType.TWO_BYTE_INT_SIGNED);

// System.out.println("get v0001 result:" + v0001);

// System.out.println("get v0003 result:" + v0003);

// System.out.println("get v0009 result:" + v0009);

// 05测试

// Boolean v0001 = writeCoilStatus(1, 0, true);

// Boolean v0002 = writeCoilStatus(1, 1, false);

// Boolean v0007 = writeCoilStatus(1, 6, true);

// System.out.println("update v0001 status result:" + v0001);

// System.out.println("update v0002 status result:" + v0002);

// System.out.println("update v0007 status result:" + v0007);

// 06测试

// Boolean v0001 = writeRegister(136, 0, 98);

// Boolean v0002 = writeRegister(136, 1, 0);

// Boolean v0007 = writeRegister(136, 6, 100);

// System.out.println("update v0001 status result:" + v0001);

// System.out.println("update v0002 status result:" + v0002);

// System.out.println("update v0007 status result:" + v0007);

// 0f测试

//Boolean res1 = writeCoils(1, 1, new boolean[]{true, true, false, true});

// 10测试

//Boolean res2 = writeRegisters(136, 7, new short[]{1, 2, 3});

//Boolean res3 = writeRegisters(136, 7, new short[]{991, 778, 25, 0});

}

测试结果

01测试（读取线圈寄存器状态）

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 01 00 00 00 06 01 01 00 00 00 01

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 02 00 00 00 06 01 01 00 01 00 01

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 02 00 00 00 04 01 01 01 00

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Encap Request: 00 03 00 00 00 06 01 01 00 07 00 01

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Sending on port: 502

[main] DEBUG com.serotonin.modbus4j.ip.tcp.TcpMaster - Response: 00 03 00 00 00 04 01 01 01 01

get v0001 :true

get v0002 :false

get v0008 :true

读取对应的寄存器/线圈系统中能获取到模拟器中的数据。

写入对应的寄存器/线圈模拟器中的数据也会发生变化。

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