modbus 協(xié)議

modbus 通信過程

• 摘自詳解Modbus通信協(xié)議—清晰易懂
• 一主多從的通信協(xié)議：Modbus 通信中只有主機可以發(fā)送請求。其他從設備接收主機發(fā)送的數(shù)據(jù)來進行響應——處理信息和使用 Modbus 將其數(shù)據(jù)發(fā)送給主站。從機不會主動發(fā)送消息給主站。
• Modbus 不能同步進行通信,主機在同一時間內(nèi)只能向一個從機發(fā)送請求，總線上每次只有一個數(shù)據(jù)進行傳輸,即主機發(fā)送,從機應答,主機不發(fā)送,總線上就沒有數(shù)據(jù)通信。
• Modbus沒有忙機制判斷，比方說主機給從機發(fā)送命令， 從機沒有收到或者正在處理其他東西，這時候就不能響應主機，因為 modbus 的總線只是傳輸數(shù)據(jù)，沒有其他仲裁機制，所以需要通過軟件的方式來判斷是否正常接收。

Modbus 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，可以簡單地理解成打電話。并且是單向通信的打電?/p>

主機發(fā)送數(shù)據(jù)，首先需要從機的電話號碼(區(qū)分每個從機，每個地址必須唯一)，告訴從機打電話要干什么事情，然后是需要發(fā)送的內(nèi)容，最后再問問從機，我說的話你都聽清楚了沒有呀，沒有聽錯吧？

然后從機這里，得到了主機打過來的電話，從機回復主機需要的內(nèi)容，主機得到從機數(shù)據(jù)，這樣就是一個主機到從機的通信過程

modbus 存儲區(qū)

• 忘記從哪找的了hhh

• 從機存儲數(shù)據(jù) -> 存儲區(qū)

  • 文件操作 -> 只讀(-r)和讀寫(-wr)
  • 數(shù)據(jù)類型 -> 布爾量 和 16 位寄存器
    • 布爾量比如 IO 口的電平高低，燈的開關(guān)狀態(tài)等。
    • 16 位寄存器比如 傳感器的溫度數(shù)據(jù)，存儲的密碼等。

• Modbus 協(xié)議規(guī)定了 4 個存儲區(qū),分別是 0 1 3 4 區(qū) 其中 1 區(qū)和 4 區(qū)是可讀可寫，1 區(qū)和 3 區(qū)是只讀

  區(qū)號	名稱	讀寫	地址范圍
  0 區(qū)	輸出線圈	可讀可寫布爾量	00001-09999
  1 區(qū)	輸入線圈	只讀布爾量	10001-19999
  3 區(qū)	輸入寄存器	只讀寄存器	30001-39999
  4 區(qū)	保持寄存器	可讀可寫寄存器	40001-49999

• Modbus 給每個區(qū)都劃分了地址范圍，主機向從機獲取數(shù)據(jù)時，只需要告訴從機數(shù)據(jù)的起始地址，還有獲取多少字節(jié)的數(shù)據(jù)，從機就可以發(fā)送數(shù)據(jù)給主機

• 每一個從機，都有實際的物理存儲，跟 modbus 的存儲區(qū)相對應，主機讀寫從機的存儲區(qū)，實際上就是對從機設備對應的實際存儲空間進行讀寫

Modbus-TCP 協(xié)議

Modbus-TCP 報文幀結(jié)構(gòu)

• 摘自ModbusTCP協(xié)議報文詳細分析

• 報文幀結(jié)構(gòu)

  >	>	>	MBAP 報文頭(7 bytes)	>	協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)
  事務處理標識符	協(xié)議標識符	長度	單元標識符	功能碼	數(shù)據(jù)
  2 bytes	2 bytes	2 bytes	1 byte	1 byte	N bytes

• MBAP 報文頭

  域	長度	說明	客戶機	服務器
  事務處理標識符	2 字節(jié)	Modbus 請求/響應事務處理的標識	客戶機啟動	復制響應
  協(xié)議標識符	2 字節(jié)	0=Modbus 協(xié)議	客戶機啟動	復制響應
  長度	2 字節(jié)	長度之后的字節(jié)總數(shù)	客戶機啟動	服務器啟動
  單元標識符	1 字節(jié)	串行鏈路或其它總線的從站識別	客戶端啟動	復制響應

  事務處理標識符 and 協(xié)議標識符 正常使用設置為 0 即可,長度為 4 個字節(jié) -> 0x00000000

• 功能碼

  功能碼	功能說明
  01H	讀取輸出線圈
  02H	讀取輸入線圈
  03H	讀取保持寄存器
  04H	讀取輸入寄存器
  05H	寫入單線圈
  06H	寫入單寄存器
  0FH	寫入多線圈
  10H	寫入多寄存器

• 每次可讀數(shù)據(jù)最長長度(260 字節(jié) - 9 字節(jié) = 251 字節(jié))

  • Modbus TCP 報文幀最長為 260 字節(jié) -> MBAP 7 字節(jié) + PDU 253 字節(jié)
  • 返回報文的 PDU 中: 功能碼 1 字節(jié) + 字節(jié)計數(shù) 1 字節(jié) + 數(shù)據(jù) 251 字節(jié)
  • 一個寄存器 2 字節(jié)
  • 當數(shù)據(jù)為 32 位浮點數(shù)，一個數(shù)據(jù)占用兩個寄存器 -> 一個數(shù)據(jù) 4 字節(jié)
  • 每次最多可讀取:數(shù)據(jù) 251 字節(jié) -> 125 個寄存器 -> 62 個 32 位浮點數(shù)(讀取 124 個寄存器)
  • 從站返回報文格式詳解

  >	>	返回報文編碼格式詳解
  字節(jié)位	結(jié)構(gòu)	編碼格式
  前 6 個字節(jié)	事務/協(xié)議和數(shù)據(jù)長度	‘>HHH’
  第 7 個字節(jié)	單元標識	‘>B’
  第 8 個字節(jié)	功能碼	‘>B’
  第 9 個字節(jié)	數(shù)據(jù)長度	‘>B’
  剩余字節(jié)	數(shù)據(jù)	data_format(default or 自定義)

mosbus_tk庫

介紹

• 安裝: pip install modbus_tk
• github主頁
• 主站示例代碼
• 從站示例代碼

從站記錄的數(shù)據(jù)格式

主站

• 根據(jù)示例改的，直接上代碼

import modbus_tk
import modbus_tk.defines as cst
from modbus_tk import modbus_tcp, hooks
import numpy as np
import pandas as pd

master = modbus_tcp.TcpMaster()
master.set_timeout(5.0)
print("connected")

# 連接從站讀取數(shù)據(jù)，一次最多讀取125個寄存器，由于2個寄存器為一個數(shù)據(jù)，故 size 設置為124
data = []  # 存放讀取的數(shù)據(jù)
data += master.execute(  # 向從站發(fā)報文讀取[0,123]區(qū)間的寄存器數(shù)據(jù)
    1,  # 從站標識符
    cst.READ_HOLDING_REGISTERS,  # 功能碼
    0,  # 起始寄存器地址
    124,  # 讀取的寄存器數(shù)量
    data_format='62f',  # 數(shù)據(jù)解碼格式
)
data += master.execute( # 向從站發(fā)送報文讀取[124,247]區(qū)間的寄存器數(shù)據(jù)
    1, cst.READ_HOLDING_REGISTERS, 124, 124, data_format='62f'
)

# 將數(shù)據(jù)保存到csv文件中
if len(data) % 4 != 0:  # 如果數(shù)據(jù)長度不是4的倍數(shù)，則用 0 補齊
    for i in range(0, 4 - len(data) % 4):
        data.append(0)
data = np.reshape(data, (-1, 4))  # 將數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)為4列的二維數(shù)組
# print(data, data.shape) # 打印數(shù)據(jù)
df = pd.DataFrame(
    data, columns=['timestamp', 'lon', 'lat', 'cog']
)  # 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為DataFrame，設置列名
df.to_csv('data_recv.csv', index=False)  # 將數(shù)據(jù)保存到csv文件中

• 常見問題：

  • Modbus Error: Exception code = 3: 看看是不是接收的數(shù)據(jù)超出最大長度了

  • struct.error: unpack requires a buffer of xx bytes: 如果在master.execute()時設置了data_format，注意data_format必須與接收到的數(shù)據(jù)長度匹配！

    • 例如傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為32位float，每個數(shù)據(jù)為4個字節(jié)，收到24字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么收到了6個數(shù)據(jù)，那么data_format必須為'6f'

從站

• 從站負責接收主站的請求并返回數(shù)據(jù)，modbut_tk庫已經(jīng)集成好了這些功能，所有從站的代碼非常簡單。
• 當我們給從站存入數(shù)據(jù)時，一個寄存器只有2個字節(jié)，那么怎么存入4個字節(jié)的數(shù)據(jù)呢？
  1. 當量縮放：量程固定時不傳輸具體數(shù)據(jù)，只傳輸百分比0-100%
  2. 用兩個寄存器存一個數(shù)據(jù)：把32位浮點數(shù)分為兩部分（代碼中就是這種方法）

pi_bytes = [int(a_byte) for a_byte in struct.pack("f", num)]
pi_register1 = pi_bytes[0] * 256 + pi_bytes[1]
pi_register2 = pi_bytes[2] * 256 + pi_bytes[3]
registers_list.append(pi_register1)
registers_list.append(pi_register2)

• 上完整代碼！

import sys

import modbus_tk
import modbus_tk.defines as cst
from modbus_tk import modbus_tcp, hooks
import struct
import pandas as pd
'''
可使用的函數(shù):
創(chuàng)建從站: server.add_slave(slave_id)
    slave_id(int):從站id
為從站添加存儲區(qū): slave.add_block(block_name, block_type, starting_address, size)
    block_name(str):block名
    block_type(int):block類型,COILS = 1,DISCRETE_INPUTS = 2,HOLDING_REGISTERS = 3,ANALOG_INPUTS = 4
    starting_address(int):起始地址
    size(int):block大小
設置block值:slave.set_values(block_name, address, values)
    block_name(str):block名
    address(int):開始修改的地址
    values(a list or a tuple or a number):要修改的一個(a number)或多個(a list or a tuple)值
獲取block值:slave.get_values(block_name, address, size)
    block_name(str):block名
    address(int):開始獲取的地址
    size(int):要獲取的值的數(shù)量
'''
# 創(chuàng)建從站總服務器
server = modbus_tcp.TcpServer(address='127.0.0.1')  # address必須設置,port默認為502
print("running...")
print("enter 'quit' for closing the server")
server.start()

# 創(chuàng)建從站
slave_1 = server.add_slave(1)  # slave_id = 1
# 為從站添加存儲區(qū)
slave_1.add_block(
    '0', cst.HOLDING_REGISTERS, 0, 1200
)  # block_name = '0', block_type = cst.HOLDING_REGISTERS, starting_address = 0, size = 1200

# 將數(shù)據(jù)存入寄存器
data = pd.read_csv('modbus_tcp.csv').values  # 讀取數(shù)據(jù)data
num_array = data.flatten()  # 將data壓為一維數(shù)組

registers_list = []  # 要存入寄存器的數(shù)據(jù)

# 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為32位float格式，每個數(shù)據(jù)4個字節(jié) -> 占2個寄存器
for num in num_array:
    pi_bytes = [int(a_byte) for a_byte in struct.pack("f", num)]
    pi_register1 = pi_bytes[0] * 256 + pi_bytes[1]
    pi_register2 = pi_bytes[2] * 256 + pi_bytes[3]
    registers_list.append(pi_register1)
    registers_list.append(pi_register2)
slave_1.set_values(
    '0', 0, registers_list
)  # 將數(shù)據(jù)存入寄存器, block_name = '0', address = 0, values = registers_list

while True:
    cmd = sys.stdin.readline()  # input
    args = cmd.split(' ')  # 按空格分割輸入

    if cmd.find('quit') == 0:  # 指令 quit -> 退出服務器
        print('bye-bye')
        break

• 可以看到，從站的代碼非常簡單！從站只需要一直開著(while True)，當主站發(fā)送請求時，從站就會自動處理請求

hook函數(shù)

• 主站從站都可以設置多個hook函數(shù)，實現(xiàn)自定義的功能

def on_before_connect(args):
    '''
    鉤子函數(shù)，連接前輸出主站信息

    Args:
        args (tuple): (self(主站對象),)
    '''
    master = args[0]
    print("host: {0},port: {1}".format(master._host, master._port))

hooks.install_hook("modbus_tcp.TcpMaster.before_connect", on_before_connect)

def on_after_recv(args):
    '''
    鉤子函數(shù)，在收到報文后輸出報文總長度

    Args:
        args (tuple): (self(主站對象), response(從站返回的數(shù)據(jù)))
    '''
    response = args[1]
    print("{0} bytes received".format(len(response)))

hooks.install_hook("modbus_tcp.TcpMaster.after_recv", on_after_recv)

• 設置hook函數(shù)分三步
  • 定義函數(shù)
    • 參數(shù)args是一個元組，是主站/從站在執(zhí)行完某個操作，如發(fā)送數(shù)據(jù)，后使用hook函數(shù)時傳入的參數(shù)，元祖中包含的參數(shù)不固定，可以自己查看源碼
  • 載入函數(shù): hooks.install_hook('觸發(fā)hook函數(shù)的操作名',函數(shù)名)
  • 愉快的使用！
• modbus_tk.hooks中定義了哪些操作可以觸發(fā)hook，具體請自行查看源碼！

有問題隨時留言！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-780546.html

到了這里，關(guān)于python 基于modbus_tk庫實現(xiàn)modbusTCP 主站和從站[非常詳細]的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！