Modbus协议及python库实现

基础知识

硬件层协议：解决0和1的可靠传输，常有RS232、RS485、CAN、IIC、SPI …

软件层协议：解决传输目的,常有Modbus、TCP/IP、CANopen …

协议优点：

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

Modbus是一主多从的通信协议

Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或其他测量类型的设备，从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。

RTU协议

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：

从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确

Modbus功能码

Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：

功能码	功能说明
01H	读取输出线圈
02H	读取输入线圈
03H	读取保持寄存器
04H	读取输入寄存器
05H	写入单线圈
06H	写入单寄存器
0FH	写入多线圈
10H	写入多寄存器

当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据，一个是修改数据。

1、主机对从机读数据操作

主机发送报文格式如下：

从站地址	功能码	起始（高）	起始（低）	数量（高）	数量（低）	校验
0x01	0x03	0x00	0x01	0x00	0x01	0xD5 0xCA

含义：

0x01：从机的地址

0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据

0x00 0x01：代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取.

0x00 0x01：查询的寄存器数量为0x0001个 Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址

0xD5 0xCA：循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：

从站地址	功能码	字节计数	字节1	字节2	校验
0x01	0x03	0x02	0x00	0x00	0xB8 0x44

含义：

0x01：从机的地址

0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据

0x02：返回字节数为2个一个寄存器2个字节

0x00 0x00：寄存器的值是0000

0xB8 0x44：循环冗余校验 CRC

2、主机对从机写数据操作

主机发送报文格式如下：

从站地址	功能码	数据地址（高）	数据地址（低）	数据（高）	数据（低）	校验
0x01	0x06	0x00	0x01	0x00	0x17	0x98 0x04

含义：

0x01：从机的地址

0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据

0x00 0x01：代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0001-0x0003的存储内容

0x00 0x17：要修改的数据值为0017

0x98 0x04：循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：

从站地址	功能码	数据地址（高）	数据地址（低）	数据（高）	数据（低）	校验
0x01	0x06	0x00	0x01	0x00	0x17	0x98 0x04

含义：

0x01：从机的地址

0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据

0x00 0x01：代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000

0x00 0x17：修改的值为0017

0x98 0x04：循环冗余校验 CRC

从机的回复和主机的发送是一样的，如果不一样说明出现了错误

python库 modbus_tk

import serial

import modbus_tk.defines as cst

from modbus_tk import modbus_rtu

class Modbus:

    def __init__(self, port: str, baud: int):

        """

        初始化modbus

        默认的slave_id为1

        :param port: 串口号

        :param baud: 波特率

        """

        self.port = port

        self.baud = int(baud)

        self.master = None

    def open(self):

        try:

            self.master = modbus_rtu.RtuMaster(

                serial.Serial(port=self.port, baudrate=self.baud, bytesize=8, parity='N', stopbits=1))

            self.master.set_timeout(5.0)

        except Exception as err:

            print("---异常---", err)

    def master_write_single_coil(self, slave_id: int, register_address: int, output_value: int) -> tuple:

        """

        05指令

        向slave从机中写寄存器

        :param slave_id: 从机id

        :param register_address: 从机寄存器的地址 十进制

        :param output_value: 要写入的数值 十进制

        :return: (0, 32762) 类似元组(写入的从机寄存器地址，写入的值)

        """

        result = self.master.execute(slave_id, cst.WRITE_SINGLE_COIL, register_address, output_value=output_value)

        return result

    def master_write_single_register(self, slave_id: int, register_address: int, output_value: int) -> tuple:

        """

        06指令

        向slave从机中写寄存器

        :param slave_id: 从机id

        :param register_address: 从机寄存器的地址 十进制

        :param output_value: 要写入的数值 十

        :return: (0, 32762) 类似元组(写入的从机寄存器地址，写入的值)

        """

        # 写入操作当对动作指令寄存器写入对应动作参数，就会立刻进行执行动作

        # 站点号；cst.WRITE_SINGLE_REGISTER写入单个寄存器；寄存器写入地址；output_value写入的值

        result = self.master.execute(slave_id, cst.WRITE_SINGLE_REGISTER, register_address, output_value=output_value)

        return result