Modbus与它的调试工具们
Modbus Poll与Modbus Slave是两款我们在调试modbus时常用的两款第三方的调试工具。
Modbus通信包含串口（RTU，ASCLL）和网络（TCP/IP）三种协议。Modbus Poll与Modbus Slave支持三种协议，更好的帮助我们调试、测试Modbus主从设备。
1. Modbus Poll
1.1. 界面主要功能介绍
菜单栏Connection -> Connection Setup 包含基础连接参数配置
- 连接方式(串口、TCP/IP)
- 端口号设置、波特率、数据位、校验位、停止位、连接模式选择（RTU、ASCLL）
- IP地址、IP端口
菜单栏Setup -> Read/Write Definition 包含Modbus协议设置
- 从机地址、功能码
- 查询地址、数据读取时间，寄存器起始地址、寄存器连续个数
菜单栏Display 可以调整寄存器数据显示方式
菜单栏Display -> Communication Traffic 用来监视/查看分析收发数据帧内容
主窗口 展示状态和寄存器回读结果
- Tx = 0: Err = 0: ID = 9: F = 03: SR = 1000ms（查询次数、错误次数、从机设备ID、功能码、扫描周期）
1.2. Modbus功能码
| 功能码（十进制） | 功能码（十六进制） | 功能名称 | 功能概述 |
|---|---|---|---|
| 01 | 0x01 | Read Coils | 读取线圈（可读写布尔量，如继电器状态） |
| 02 | 0x02 | Read Discrete Inputs | 读取离散输入（只读布尔量，如传感器信号） |
| 03 | 0x03 | Read Holding Registers | 读取保持寄存器（可读写16位数据，如设备参数） |
| 04 | 0x04 | Read Input Registers | 读取输入寄存器（只读16位数据，如传感器模拟量） |
| 05 | 0x05 | Write Single Coil | 写入单个线圈（设置单个继电器开/关） |
| 06 | 0x06 | Write Single Register | 写入单个保持寄存器 |
| 15 | 0x0F | Write Multiple Coils | 写入多个线圈（批量设置继电器状态） |
| 16 | 0x10 | Write Multiple Registers | 写入多个保持寄存器（批量写入） |
| 22 | 0x16 | Mask Write Register | 对保持寄存器进行位掩码写入（按位与/或操作） |
| 23 | 0x17 | Read/Write Multiple Registers | 同时执行读取和写入多个寄存器的复合操作 |
| 24 | 0x18 | Read FIFO Queue | 读取FIFO（先进先出）队列中的数据（特殊设备使用） |
说明
- Modbus TCP 和 RTU 的功能码相同，仅传输格式不同。
2. Modbus Slave
2.1. 界面主要功能介绍
菜单栏Setup -> Slave Definition 包含从机参数设置
其他的化界面基本功能和Modbus Poll差不多
3. Modbus Poll/Slave模拟通信
想要模拟通信的化，首先需要通过vpsd虚拟串口工具，建立两个模拟端口连接
配置好Modbus Poll与Modbus slave，端口、波特率、数据位等基本信息就可以实现数据收发。(需要注意，这里两个工具的Slave ID需要保持一致)
下面是我通过Modbus poll工具Communication Traffic捞回的日志，这里我将地址0的数据从原来的0x01修改位0x00。如果从从从机接收日志，收发关系会对调一下。
# 请求设备地址(0x08)读保持寄存器(0x03)，起始地址(0x0000)，读10个寄存器(0x000a)，CRC校验(c5 54)
Tx:000032-08 03 00 00 00 0A C5 54
# 响应设备地址(0x08)读保持寄存器(0x03)，字节数(0x14，20字节，对应10个16位寄存器，就是每个寄存器用两个八位字节存表示)，数据(第一个寄存器为0x0001，其他为0x0000)，CRC校验(34 a1)
Rx:000033-08 03 14 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 34 A1
# 请求设备地址(0x08)写单个寄存器(0x06)，起始入地址(0x0000)，写入值(0x0000)，CRC校验(89 53)
Tx:000034-08 06 00 00 00 00 89 53
# 响应与请求完全相同，表示写入成功确认
Rx:000035-08 06 00 00 00 00 89 53
# 内容同Tx:000032，完成两次定时请求与响应动作
Tx:000036-08 03 00 00 00 0A C5 54
Rx:000037-08 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 09 5D
Tx:000038-08 03 00 00 00 0A C5 54
Rx:000039-08 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 09 5D
4. 常见的功能码与响应帧格式
详细请参考Modbus协议“圣经”1
# 03功能码(读取保持寄存器)请求帧结构，04(读取输入寄存器)同03
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 要读取的存器数量(2byte) + 校验(2byte)
# 03功能码响应帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 字节数(1byte) + 寄存器数据(n*2byte) + 校验(2byte)
# 06功能码(写入单个保持寄存器)请求帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 写入的寄存器值(2byte) + 校验(2byte)
# 06功能码响应帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 写入的寄存器值(2byte) + 校验(2byte)
# 16功能码(多寄存器预设)请求帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 写入寄存器数量(2byte) + 字节数(1byte) + 写入值(n*2byte) + 校验(2byte)
# 16功能码 响应帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 成功写入寄存器数量(2byte) + 校验(2byte)
# 01功能码(读取线圈)请求帧，02（离散输入）同01
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 要读取的线圈数量(2byte) + 校验(2byte)
# 01功能码响应帧
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 字节数(1byte) + 线圈数据(1byte×N) + 校验(2byte)
# 05功能码(写入单个线圈)请求帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 数据值(2byte) + 校验(2byte)
# 05功能码响应帧
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 数据值(2byte) + 校验(2byte)
# 15功能码(写入多个线圈)请求帧结构
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 线圈数量(2byte) + 字节数(1byte) + 数据值(2byte) + 校验(2byte)
# 15功能码响应帧
从机地址(1byte) + 功能码(1byte) + 起始地址(2byte) + 线圈数量(2byte) + 校验(2byte)
注意
- Modbus所有多字节端使用大端序，而CRC是小端序（低位在前）
- 为什么字节数一字节？而寄存器数量两字节？既然规定了Modbus整个数据帧的最大长度不能超过256字节，为什么寄存器数量不也用1字节表示？
- 线圈数据值：FF 00 = ON，00 00 = OFF（仅限功能码05）。
常见问题&解决办法
PC使用Modbus Slaver模拟从机时，主机发送03功能码从机返回83错误响应
Rx:001616-01 03 00 00 00 1E C5 C2
Tx:001617-01 83 02 C0 F1
错误代码02表示非法数据地址，具体原因是寄存器范围超出限制，主机请求读取从地址0开始的30个保持寄存器(00 00 00 1E)，Modbus Slave软件中可能没有定义足够多的保持寄存器。
解决办法：增加从机软件设置的寄存数量
Modbus协议中，-1传输，用int16接收变成65535
问题1：为什么-1接受变成65535？
问题2：为什么int16类型可以接收65535而不溢出？
在modbus中一个寄存器的数值范围在0~65535，-1是一个有符号整数，它超出了单个寄存器所能表示的范围。因此，无法用一个单独的03功能码寄存器来直接表示-1。
请求帧：01 10 00 00 00 01 02 FF FF A7 E0
从设备地址: 01
功能码：10
起始地址：00 00
寄存器数量：01
字节计数：02
写入数据：FF FF (无符号16位整数:65535，有符号位整数：-1。负数用补码（反码+1）表示，所以-1 的补码：11111111 FF，65535的表达上跟-1是一样的)
CRC校验码：A7 E0
在处理过程中，针对双字节先把它当作一个uint16值65535存储到了一个中间变量，然后再转换给int16。
为什么没有溢出呢？是因为我配置了typedef signed int int16，对于八位单片机signed int是16位，但是对于32位单片机signed int是32位，所以明明用16位int去接仍能接到65535，而不是-1。
根因是由于从八位机移植到三十二位机时而没有注意类型导致的。
解决办法：标准整数类型重新定义，使用C标准库中的int16_t类型，确保在不同平台上都有正确的16位有符号整数表示。
主机发送数据，Modbus slave接收，slave不报错不响应
主机发送数据，Slave接收但不响应。通过监控看到RX数据与发送匹配。数据帧格式正确符合03功能码结构。
怀疑CRC校验错误，检查RCR功能代码，未发现异常
尝试更换CRC高低位顺序，问题解决。
根因：Modbus协议中CRC小端序（低字节在前，高字节在后），而我的CRC计算代码未明确处理字节序，直接按计算结果（大端序）填入报文，导致校验失败，Slave丢弃请求。。
The CRC field is appended to the message as the last field in the message.When this is done, the low–order byte of the field is appended first, followed by the high–order byte. The CRC high–order byte is the last byte to be sent in the message.1
不论根据modbus poll的报文计算的结果，还是手册中的描述，都是将CRC计算的结果进行调序，将低字节在前高字节在后。
但是为什么不跟之前的数据位保持一样的字节序？没有找到合理的解释，约定俗成？
03读命令：
| 序号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字段定义 | ADDR | CMD | MSB | LSB | MSB | LSB | LSB | MSB |
| 解释 | 控制器地址 | 命令类型 | 寄存器起始地址 | 寄存器个数 | CRC校验 | |||
| 序号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ... | L+1 | L+2 | L+3 | L+4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字段定义 | ADDR | CMD | LENGTH | MSB | LSB | MSB | LSB | ... | MSB | LSB | LSB | MSB |
| 解释 | 控制器地址 | 命令类型 | 发送字节数 | 第一个寄存器的值 | 第二个寄存器的值 | ... | 最后一个寄存器的值 | CRC校验 | ||||
注意:
- MSB 表示高字节；LSB 表示低字节；跟modbus数据位不一样，校验位的低8位先发。考虑历史遗留问题。
- 每个寄存器存放两个字节，共16位；对寄存器数据类型为一个字节的数据，存放在低字节（LSB）。
03和04读同一个地址，但是结果不一样
工作中常用03码读寄存器地址，其他没怎么用过，所以并没理解03，04功能码区别，盲目认为都一样。但是最近做一个项目，需要从电表里读取电压、电流，顺便改改波特率。拿到设备文档，我看到两张表：一张03（包含电压、电流、有功功率、总有功功率等等）、一张04（波特率、校验位、从机地址等等）。本来以为没啥，改完03协议，就打算改04协议。结果两张表的地址是重叠的。不兑！？
仔细对照了两条查询数据的报文，格式并无区别。区别在于功能码并不一致。
这里Modbus分为线圈（01）、离散输入（02）、保持寄存器（03）、输入寄存器（04）四种类型：
- 线圈，可以理解为位操作，可读可写，用05、15功能码写；
- 当使用05功能码写线圈时，数据位规定FF00(ON)，0000(OFF)。例如：
01 05 00 00 FF 00 8C 3A，就是给0地址位，写开； - 当使用15功能码写多个线圈时，数据位就是每个位的状态。例如：
01 0F 00 00 00 08 01 AA 56 90，就是给地址0位开始写8个线圈，数据位是AA，意味着线圈1、3、5、7开，2、4、6、8关。
- 当使用05功能码写线圈时，数据位规定FF00(ON)，0000(OFF)。例如：
- 离散输入，仍是位操作，但是只读；
- 保持寄存器，可以理解为字节操作，可读可写，用06、16功能码写；
- 输入寄存器，仍是字节操作，但是只读；
- 四种查询格式完全一样，除了功能码不同；写的话，线圈和保持寄存器是可以，用对应的写功能码。
- 四寄存器类型是完全独立的地址空间，互补干扰，所以地址可以重叠！！简单来说就是四栋大楼，门牌号可以相同。
参考资料
-
MODICON, Inc. (1996). Modbus Protocol PI-MBUS-300.pdf. https://modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf ↩ ↩2