freemodbus modbus TCP 学习笔记

ゝ一纸荒年。 2022-08-20 06:28 175阅读 0赞

1.前言

使用modbus有些时间了，期间使用过modbus RTU也使用过modbus TCP，通过博文和大家分享一些MODBUS TCP的东西。在嵌入式中实现TCP就需要借助一个以太网协议栈，在这里我选择最简单的uIP协议栈。uIP协议栈简单易用方便上手，相比于LwIP无论是移植还是使用难度都低些，这样就可以把更多的精力花在modbus tcp协议本身而不必花大量的时间研究以太网协议栈。modbus协议栈为freemodbus

【其他有用的博文】

【1】[uIP学习笔记][uIP]

【2】[MODBUS协议整理——汇总 ][MODBUS]

【工程代码】

示例代码托管于GitHub——【[Github Clone][]】

如果有问题我会及时更新。

【使用说明】

【1】工具链为IAR 6.5

【2】从机IP为固定IP 192.168.1.15，请保证从机和路由器位于同一个网段中。

【3】modbus tcp的侦听端口号为502

2.MODBUS TCP注意点

2.1 主机和从机、服务端和客户端

![SouthEast][]

图1 MODBUS请求响应模型

【在modbus协议中】

主机发送modbus请求，从机根据请求内容向主机返回响应。在modbus协议中，主机总是主动方，从机总是被动方。

【在网络应用中】

在网络应用中存在客户端和服务器端，客户端（例如浏览器）发送请求到服务器，服务器向客户端返回内容（例如HTML文本）。

【在modbus tcp中】

主机是客户端，而从机是服务器端。千万不要以为服务器端重要，主机也重要，所以主机就是服务器端。

2.2 是否可以多主机

通过前面的分析，主机为客户端那么modbus tcp支持多个主机，在一个局域网中可存在多个主机和多个从机。从机的连接能力（连接主机的数量）由uIP的最大TCP连接个数决定。

2.3 modbus TCP协议简述

modbus TCP和modbus RTU基本相同，但是也存在一些区别

【1】从机地址变得不再重要，多数情况下忽略。从某种意义上说从机地址被IP地址取代

【2】CRC校验变得不再重要，甚至可以忽略。由于TCP数据包中已经存在校验，为了不重复造轮子，modbus TCP干脆取消了CRC校验。

modbus TCP和modbus RTU的区别可使用下图概括

![SouthEast 1][]

图2 modbus TCP数据包和modbus RTU数据包比较

在modbus TCP中包含一个MBAP头，该头包含以下几个部分

<table style="font-size:undefined; border-collapse:collapse; margin-top:10px; margin-bottom:10px; display:table; background-color:inherit; text-align:left"> 
 <tbody style="background-color:inherit"> 
  <tr style="background-color:inherit"> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 区域</td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      长度 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      描述 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      客户端 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      服务器 
    </div> </td> 
  </tr> 
  <tr style="background-color:inherit"> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      传输标志 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      2字节 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      MODBUS 请求和响应传输过程中 
    </div> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      序列号 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 客户端生成</td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      应答时复制该值 
    </div> </td> 
  </tr> 
  <tr style="background-color:inherit"> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 协议标志</td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      2字节 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      Modbus协议 
     <span style="background-color:inherit">默认为0</span> 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      客户端生成 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      应答时复制该值 
    </div> </td> 
  </tr> 
  <tr style="background-color:inherit"> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      长度 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      2字节 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 剩余部分的长度</td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      客户端生成 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      应答时由服务器端生成 
    </div> </td> 
  </tr> 
  <tr style="background-color:inherit"> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      单元标志 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      1字节 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 从机标志（从机地址）</td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      客户端生成 
    </div> </td> 
   <td style="word-break:break-all; border:1px solid rgb(153,153,153); padding:5px 10px; height:31px; background-color:inherit"> 
    <div style="min-width:2px; background-color:inherit">
      应答时复制该值 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

【注意】

【1】传输标志可理解为序列号，防止MODBUS TCP通信错位，例如后发生的响应先到了主机，而早发生的响应后到主机

【2】单元标志可理解为从机地址，此时已经不再重要

2.4 modbus tcp 和 TCP IP的关系

modbus TCP可以理解为发生在TCP上的应用层协议，既然是TCP协议那么一个完整的MODBUS TCP报文必然包括TCP首部，IP首部和Ethernet首部。

下面就通过uIP协议栈来实现modbus TCP

3.代码实现

3.1 侦听502端口

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]  [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  BOOL  
2.  xMBTCPPortInit( USHORT usTCPPort )  
3.  \{  
4.      BOOL bOkay = FALSE;  
5.       
6.      USHORT usPort;  
7.      if( usTCPPort == 0 )  
8.      \{  
9.          usPort = MB\_TCP\_DEFAULT\_PORT;  
10.     \}  
11.     else  
12.     \{  
13.         usPort = (USHORT)usTCPPort;  
14.     \}  
15.      
16.     // 侦听端口 502端口  
17.     uip\_listen(HTONS(usPort));  
18.      
19.     bOkay = TRUE;  
20.     return bOkay;  
21. \}

【代码说明】

【1】uip\_listen(HTONS(usPort)) 侦听502端口，注意大小端变化。

3.2 uIP循环处理——porttcp.c

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]  [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  void uip\_modbus\_appcall(void)  
2.  \{  
3.      if(uip\_connected())  
4.      \{  
5.          PRINTF("connected!\\r\\n");  
6.      \}  
7.       
8.      if(uip\_closed())  
9.      \{  
10.         PRINTF("closed\\r\\n");  
11.     \}  
12.      
13.     if(uip\_newdata())  
14.     \{  
15.         PRINTF("request!\\r\\n");  
16.         // 获得modbus请求  
17.         memcpy(ucTCPRequestFrame, uip\_appdata, uip\_len );  
18.         ucTCPRequestLen = uip\_len;  
19.         // 向 modbus poll发送消息  
20.         xMBPortEventPost( EV\_FRAME\_RECEIVED );  
21.     \}  
22.      
23.     if(uip\_poll())  
24.     \{  
25.         if(bFrameSent)  
26.         \{  
27.             bFrameSent = FALSE;  
28.             // uIP发送Modbus应答数据包  
29.             uip\_send( ucTCPResponseFrame , ucTCPResponseLen );  
30.         \}  
31.     \}  
32. \}

【代码说明】

【1】uip\_newdata()返回为True表示存在新的数据

【2】复制uip\_appdate中的数据到ucTCPRequestFrame，该变量为全局变量，通过该全部变量”中转“到modbus处理的缓冲区中。然后向modbus协议栈发送消息，消息内容为EV\_FRAME\_RECEIVED 。由于没有使用操作系统

【3】如果处理完成则通过uip\_send发送响应。

【4】ucTCPRequestFrame和ucTCPResponseFrame均为全局数组，用于和modbus缓冲区交换数据。

> static UCHAR ucTCPRequestFrame\[MB\_TCP\_BUF\_SIZE\];
> 
> static USHORT ucTCPRequestLen;
> 
> static UCHAR ucTCPResponseFrame\[MB\_TCP\_BUF\_SIZE\];
> 
> static USHORT ucTCPResponseLen;

3.3 modbus 接收处理

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]  [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  BOOL  
2.  xMBTCPPortGetRequest( UCHAR \*\* ppucMBTCPFrame, USHORT \* usTCPLength )  
3.  \{  
4.      \*ppucMBTCPFrame = &ucTCPRequestFrame\[0\];  
5.      \*usTCPLength = ucTCPRequestLen;  
6.       
7.      /\* Reset the buffer. \*/  
8.      ucTCPRequestLen = 0;  
9.      return TRUE;  
10. \}

【代码说明】

【1】\*\* ppucMBTCPFrame为一个指向数据的指针，而\*ppucMBTCPFrame可以指向一个数组，在这里可把ucTCPRequestFrame复制给该变量，配合usTCPLength，那么从uIP接收到的内容就”转移“到freemodbus中。

3.4 modbus 发送处理

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [ copy][view plain]  [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  BOOL  
2.  xMBTCPPortSendResponse( const UCHAR \* pucMBTCPFrame, USHORT usTCPLength )  
3.  \{  
4.      memcpy( ucTCPResponseFrame , pucMBTCPFrame , usTCPLength);  
5.      ucTCPResponseLen = usTCPLength;  
6.       
7.      bFrameSent = TRUE; // 通过uip\_poll发送数据  
8.      return bFrameSent;  
9.  \}

【代码说明】

【1】把传入的内容 pucMBTCPFrame复制给ucTCPResponseFrame，并设置bFrameSent为True，那么在下一次uip\_poll时便会把响应发送会主机。

4.测试与分析

【1】连接从机

选择IP地址为192.168.1.15，端口号为502

![SouthEast 2][]

图3 打开modbus tcp连接

【2】尝试读出保持寄存器

![SouthEast 3][]

图4 读取保持寄存器

【3】抓包分析

请使用ip.addr == 192.168.1.15 表达式过滤报文，其中192.168.1.100为PC机，此处为modbus 主机

【简单分析】

【1】115行为modbus主机请求，此时传输标志为25.

【2】116行为modbus从机给出的TCP应答，TCP应答为TCP协议规定的内容，TCP应答中不包含modbus 响应

【3】117行为modbus从机响应，此时传输标志依然为25.

【4】118行为modbus主机 TCP应答，同16行。

![SouthEast 4][]

图5 抓包分析

[uIP]: http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/17471865
[MODBUS]: http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/16368615
[Github Clone]: https://github.com/xukai871105/uip_freemodbus_tcp
[SouthEast]: /images/20220731/92166e9c1dcc428190cff477d35a0797.png
[SouthEast 1]: /images/20220731/06c8b628e674423db804a239cda6b245.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/21652287#
[CODE]: https://code.csdn.net/assets/CODE_ico.png
[CODE_CODE]: https://code.csdn.net/snippets/247934
[ico_fork.svg]: https://code.csdn.net/assets/ico_fork.svg
[ico_fork.svg 1]: https://code.csdn.net/snippets/247934/fork
[SouthEast 2]: /images/20220731/c058afb89bf6401c84bdb4bed1d99d2a.png
[SouthEast 3]: /images/20220731/f4260ce69e7147388934b35ad3f37569.png
[SouthEast 4]: /images/20220731/54338ac607e14adc88ca6576ed284e8e.png