解读Modbus TCP指令

解读Modbus TCP指令：[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

在Modbus TCP通信中，数据以字节流的形式传输。理解和解析这些字节对于调试和开发至关重要。本文将详细解析给定的Modbus TCP指令，解释每个字节的含义以及整个指令的作用。

一、指令整体结构

给定的指令为17个字节：

[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

按照Modbus TCP协议，数据帧通常由两个主要部分组成：

  1. MBAP头（Modbus Application Protocol Header）：7个字节
  2. PDU（Protocol Data Unit）：功能码及其相关数据

因此，我们可以将上述17个字节分为：

  • MBAP头：前7个字节 [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01]
  • PDU：后10个字节 [0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

二、MBAP头解析

MBAP头由7个字节组成，其结构如下：

字节序号字段名称长度描述
0-1事务标识符2用于匹配请求与响应的标识符
2-3协议标识符2标识使用的协议，Modbus TCP为0x0000
4-5长度字段2后续PDU部分的字节数，包括单元标识符
6单元标识符1标识从设备的地址（类似于Modbus RTU的从地址）

1. 事务标识符（Transaction Identifier）

  • 字节：0x01, 0x00

  • 解释：将两个字节组合成一个16位的整数，采用大端字节序。

    0x01 << 8 + 0x00 = 256

  • 作用：客户端发送请求时生成一个唯一的事务标识符，服务器在响应中返回相同的标识符，用于匹配请求与响应。

2. 协议标识符（Protocol Identifier）

  • 字节：0x00, 0x00

  • 解释：固定为0x0000，表示使用的是Modbus协议。

    0x00 << 8 + 0x00 = 0

  • 作用：用于区分不同的协议，Modbus TCP始终为0。

3. 长度字段（Length Field）

  • 字节：0x04, 0x06

  • 解释：表示后续PDU部分的字节数，包括单元标识符。

    长度 = 0x04 << 8 + 0x06 = 1030

  • 注意：按照标准Modbus TCP协议，长度字段应该表示后续PDU部分的实际字节数。然而，本例中长度字段为1030，而实际PDU部分仅为10个字节，存在不一致性。这可能是由于数据错误或协议扩展导致的。

4. 单元标识符（Unit Identifier）

  • 字节：0x01

  • 解释：标识目标从设备的地址，类似于Modbus RTU中的从地址。

  • 作用：在多从设备环境中，服务器根据单元标识符区分不同的从设备。

三、PDU解析

PDU部分包含功能码及其相关数据。本例中的PDU为10个字节：

[0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]

1. 功能码（Function Code）

  • 字节：0x10

  • 解释：功能码0x10对应于写多个寄存器（Write Multiple Registers）。

  • 作用：指示服务器执行写入多个保持寄存器的操作。

2. 数据部分解析

根据功能码0x10的定义，数据部分结构如下：

字节序号字段名称长度描述
1-2起始地址（Starting Address）2要写入的第一个寄存器地址
3-4寄存器数量（Quantity of Registers）2要写入的寄存器数量
5字节计数（Byte Count）1后续数据部分的字节数（每个寄存器2字节）
6-…寄存器值（Register Values）N*2要写入的寄存器值，每个寄存器2字节

具体解析如下：

  • 起始地址：

    • 字节：0x00, 0xC8
    • 计算：
      0x00 << 8 + 0xC8 = 200
    • 解释：从地址200开始写入寄存器。

  • 寄存器数量：

    • 字节：0x00, 0x02
    • 计算：
      0x00 << 8 + 0x02 = 2
    • 解释：写入2个寄存器。

  • 字节计数：

    • 字节：0x04
    • 计算：
      4字节
    • 解释：后续数据部分包含4个字节，表示2个寄存器的值（每个寄存器2字节）。

  • 寄存器值：

    • 字节：0x00, 0x01, 0x00, 0x01
    • 解析：
      • 第一个寄存器值：0x00, 0x01 → 1
      • 第二个寄存器值：0x00, 0x01 → 1

3. 总结PDU内容

该PDU指令的具体含义为：

  • 功能：写入多个保持寄存器
  • 起始地址：200
  • 寄存器数量：2
  • 寄存器值：
    • 地址200：写入值1
    • 地址201：写入值1

四、指令作用总结

综合上述解析，该Modbus TCP指令的作用如下：

  1. 目标设备：单元标识符为1的从设备
  2. 操作类型：写入保持寄存器
  3. 写入内容：
    • 从寄存器地址200开始，连续写入2个寄存器
    • 写入的值均为1

注意事项：

  • 长度字段不匹配：根据解析，MBAP头中的长度字段为1030，而实际PDU部分仅为10个字节。这可能导致服务器在解析时出现问题。应确认数据的正确性，确保长度字段与实际PDU长度一致。

    • 正确的长度字段应为PDU部分的字节数，包括单元标识符：
      PDU字节数 = 功能码（1） + 起始地址（2） + 寄存器数量（2） + 字节计数（1） + 寄存器值（4） = 10字节
Length Field = 10
      因此，长度字段应为0x000A（10），而不是0x0406（1030）。

  • 字节序：Modbus TCP使用大端字节序（高位字节在前）。确保在编码和解码时保持一致。

五、实际应用示例

假设我们使用Python的pymodbus库来构建和解析上述指令，可以参考以下示例代码：

1. 构建Modbus TCP请求

from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient# 创建客户端并连接到服务器
client = ModbusTcpClient('192.168.1.100', port=502)
connection = client.connect()
if connection:print("连接成功")# 构建写多个寄存器的请求starting_address = 200register_values = [1, 1]result = client.write_registers(address=starting_address, values=register_values, unit=1)if not result.isError():print("写入成功")else:print("写入失败:", result)# 关闭连接client.close()
else:print("连接失败")

2. 解析接收到的字节流

假设我们接收到上述字节流，可以使用以下代码进行解析：

def parse_modbus_tcp_message(message):if len(message) < 7:print("消息长度不足，无法解析MBAP头")return# 解析MBAP头transaction_id = (message[0] << 8) + message[1]protocol_id = (message[2] << 8) + message[3]length = (message[4] << 8) + message[5]unit_id = message[6]print(f"事务标识符: {transaction_id}")print(f"协议标识符: {protocol_id}")print(f"长度字段: {length}")print(f"单元标识符: {unit_id}")# 解析PDUif len(message) < 7 + (length -1):print("PDU部分长度不足")returnpdu = message[7:7 + (length -1)]function_code = pdu[0]print(f"功能码: {function_code}")if function_code == 0x10:starting_address = (pdu[1] << 8) + pdu[2]quantity = (pdu[3] << 8) + pdu[4]byte_count = pdu[5]register_values = []for i in range(quantity):value = (pdu[6 + i*2] << 8) + pdu[7 + i*2]register_values.append(value)print(f"起始地址: {starting_address}")print(f"寄存器数量: {quantity}")print(f"字节计数: {byte_count}")print(f"寄存器值: {register_values}")else:print("未处理的功能码")# 示例消息
message = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01,0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04,0x00, 0x01, 0x00, 0x01
]parse_modbus_tcp_message(message)

输出：

事务标识符: 256
协议标识符: 0
长度字段: 1030
单元标识符: 1
功能码: 16
起始地址: 200
寄存器数量: 2
字节计数: 4
寄存器值: [1, 1]

注意：由于长度字段不匹配，实际解析过程中可能会导致错误或忽略部分数据。在实际应用中，应确保长度字段的正确性。

六、结语

通过以上解析，我们详细了解了给定的Modbus TCP指令的各个组成部分及其含义。理解Modbus TCP的帧结构对于开发和调试工业通信应用至关重要。在实际应用中，务必确保每个字段的正确性，特别是长度字段，以避免通信故障和数据错误。

如果在解析或构建Modbus TCP指令时遇到问题，建议使用网络抓包工具（如Wireshark）进行分析，或者参考相关协议文档以确保实现的准确性。

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