1、相關概念
1.1 Modbus
Modbus是一種廣泛應用于工業(yè)自動化領域的通信協(xié)議， Modbus提供了通用的語言在設備之間建立主從式的通信，Modbus協(xié)議簡單、開放、易于實現(xiàn)，且支持多種物理層通信介質(RS232、RS485、TCP/IP網絡等)，因此成為了工業(yè)領域通信協(xié)議的業(yè)界標準之一。我們今天要介紹的是一種基于以太網TCP/IP的應用層協(xié)議——Modbus TCP/IP協(xié)議。
1.1 Modbus
Modbus是一種廣泛應用于工業(yè)自動化領域的通信協(xié)議， Modbus提供了通用的語言在設備之間建立主從式的通信，Modbus協(xié)議簡單、開放、易于實現(xiàn)，且支持多種物理層通信介質(RS232、RS485、TCP/IP網絡等)，因此成為了工業(yè)領域通信協(xié)議的業(yè)界標準之一。我們今天要介紹的是一種基于以太網TCP/IP的應用層協(xié)議——Modbus TCP/IP協(xié)議。
1.2 Modbus TCP
Modbus TCP是Modbus協(xié)議在以太網上的一種實現(xiàn)，它保留了Modbus協(xié)議的核心功能和數(shù)據(jù)模型，但對消息封裝進行了調整，使其符合TCP/IP的要求。在進行下一步之前我們首先對Modbus中的一些概念做一個了解。
1.3存儲區(qū)
存儲的數(shù)據(jù)類型分為布爾量和寄存器
1.3.1布爾量
如水閥的開關、燈的開關等數(shù)據(jù)。
1.3.2寄存器
如流速、導電率、溫濕度、空氣濃度等數(shù)據(jù)。
Modbus規(guī)定了4個存儲區(qū)，分別是0、1、3、4，對應下面表格內容，具體為：
0區(qū)：可讀可寫的布爾量
1區(qū)：只讀布爾量
3區(qū)：只讀寄存器
4區(qū)：可讀可寫的寄存器
1.4功能碼
Modbus定義了一系列的功能碼，這些功能碼表示了主站請求從站執(zhí)行的具體操作，下面表格是一些常見的功能碼，具體為：
1.4.1讀操作
0x01：讀輸出線圈狀態(tài)。
0x02：讀輸入線圈狀態(tài)。
0x03：讀輸出寄存器的值。
0x04：讀輸入寄存器的值。
1.4.2寫操作
0x05：寫單個線圈狀態(tài)。
0x06：寫單個寄存器的值。
0x0F：寫多個線圈狀態(tài)。
0x10：寫多個寄存器的值。
1.5 協(xié)議報文
Modbus TCP/IP的報文被封裝在一個標準的TCP數(shù)據(jù)段內，而不是像串行通信那樣直接在物理層上發(fā)送。TCP報文提供了端到端的可靠傳輸，包括數(shù)據(jù)分段、重傳、流量控制和擁塞控制等機制。
Modbus TCP/IP的報文幀主要包括：
MBAP頭：包含事務標識符、協(xié)議標識符、消息長度、設備地址
Modbus PDU：原始Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)部分，包括功能碼、數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)值。
下面我們用一個表格來根據(jù)一段報文解釋這兩部分的具體內容：
主站發(fā)送報文：
從站響應報文：
從上面的報文中我們可以知道：
事務標識符：占2個字節(jié)，一次通信的過程中主站和從站的報文幀的事務標識符是一致的。
協(xié)議標識符：占2個字節(jié)，00 00表示Modbus TCP協(xié)議。
后面報文的長度：占2個字節(jié)，表示后面報文的長度。
從站地址：占1個字節(jié)，表示設備的地址，也就是Salve ID的值。
功能碼：占1個字節(jié)，例子中的03表示的是讀輸出寄存器的值。
起始地址：占2個字節(jié)，表示從該設備的哪個位置開始讀。
讀取數(shù)量：占2個字節(jié)，表示從起始位置往后讀的數(shù)量。
長度：占2個字節(jié)，表示后面還報文的長度。
對應的值：根據(jù)不同的存儲類型所占的字節(jié)不同。
接下來我們通過工具來模擬Modbus TCP通訊。
2、工具使用
2.1 Modbus Slave
打開軟件之后點擊菜單欄的Connection→Connect，如圖所示：
在彈出的界面選擇協(xié)議類型為Modbus TCP/IP，輸入IP，端口號點擊OK
隨后點擊Setup→Slave Definition...進入從站設置界面
下面我們新建四個不同存儲區(qū)的窗口來為后面模擬通訊做準備
根據(jù)圖中任意方式都可以新建窗口。
可以看到四個窗口在從站地址為2，功能碼分別為01、02、03、04。
需要注意的是01、02表示的是讀輸出線圈和輸入線圈，只有開關量，對應的數(shù)值為1=On，0=Off。
03、04表示的是讀輸出寄存器和輸入寄存器。
好了，接下來我們去使用工具模擬主站來讀取從站的數(shù)據(jù)。在此之前我們可以勾選Auto increment模擬數(shù)據(jù)處于變化狀態(tài)。
2.2 Modbus Poll
使用和從站相同的方法連接之后新建四個窗口分別讀取，可以看到讀取實時數(shù)據(jù)成功。
也可以通過查看日志確保主機處于正常讀取狀態(tài)。
下面我們通過使用modbus-master-tcp模擬一個主站去和從站之間進行通信。
3、Java模擬主站
3.1使用modbus-master-tcp庫
modbus-master-tcp是基于Netty編寫，支持異步與并發(fā)。
下面通過Java模擬主站讀取從站線圈狀態(tài)：
輸出結果：
4、總結
上述內容就是對Modbus通信協(xié)議的介紹及通過工具和代碼模擬主站與從站之間進行通信的過程，關于更多Modbus的實際應用可以訪問上海研博數(shù)據(jù)信息技術有限公司 (yanboot.cn)進行查看，關于文章所涉及到的代碼可以留言獲取，關于更多后續(xù)請關注公眾號了解。
