python實(shí)現(xiàn)ModBusTCP協(xié)議的client

python實(shí)現(xiàn)ModBusTCP協(xié)議的client是一件簡(jiǎn)單的事情，只要通過(guò)pymodbus、pyModbusTCP等模塊都可以實(shí)現(xiàn)，本文采用pymodbus。

一、ModBusTCP協(xié)議

1、了解ModBusTCP協(xié)議

Modbus TCP 是一種基于 TCP/IP 協(xié)議棧的 Modbus 通信協(xié)議，它用于在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)備之間的通信。Modbus TCP 將 Modbus 協(xié)議封裝在 TCP/IP 協(xié)議之上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

以下是 Modbus TCP 的基本特點(diǎn)：

（1）基于 TCP/IP 協(xié)議：Modbus TCP 使用 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，可以通過(guò)以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

（2）實(shí)時(shí)性：Modbus TCP 具有較高的實(shí)時(shí)性，適用于需要快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)。

（3）異步通信：Modbus TCP 支持異步通信，允許設(shè)備之間的非同步數(shù)據(jù)交換。

（4）客戶端-服務(wù)器模型：Modbus TCP 通信采用客戶端-服務(wù)器模型?？蛻舳耍ㄍǔＪ强刂葡到y(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)）向服務(wù)器（設(shè)備或傳感器）發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。

（5）支持多種數(shù)據(jù)類型：Modbus TCP 支持不同數(shù)據(jù)類型的讀寫操作，包括線圈（Coil）、離散輸入（Discrete Input）、保持寄存器（Holding Register）和輸入寄存器（Input Register）等。

（6）數(shù)據(jù)傳輸格式：Modbus TCP 使用 Modbus 協(xié)議的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)域等。

（7）安全性：由于 Modbus TCP 通信是基于 TCP/IP 的，因此可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全措施（例如 VPN、防火墻等）提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

總的來(lái)說(shuō)，Modbus TCP 提供了一種可靠的、靈活的工業(yè)通信解決方案，廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域中的各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

2、ModBusTCP協(xié)議的client與TCPclient的區(qū)別？

Modbus TCP 是一種特定的應(yīng)用層通信協(xié)議，用于在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它是在 TCP/IP 協(xié)議棧上運(yùn)行的 Modbus 協(xié)議的變種。Modbus TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)包是通過(guò) TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

TCP client 是一種通用的網(wǎng)絡(luò)通信模式，它指的是通過(guò) TCP/IP 協(xié)議與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，并向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求并接收響應(yīng)的程序。TCP client 可以用于與任何支持 TCP/IP 協(xié)議的服務(wù)器進(jìn)行通信，不限于 Modbus 協(xié)議。

區(qū)別主要在于：

（1）用途不同：Modbus TCP 是一種特定的工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議，用于工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；而 TCP client 是一種通用的網(wǎng)絡(luò)通信模式，可以與各種服務(wù)器進(jìn)行通信，不限于 Modbus 協(xié)議。

（2）協(xié)議不同：Modbus TCP 使用 Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而 TCP client 沒(méi)有固定的協(xié)議限制，可以與各種應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信。

（3）功能不同：Modbus TCP 協(xié)議定義了特定的功能碼和數(shù)據(jù)格式，用于讀寫線圈、離散輸入、保持寄存器等；TCP client 則沒(méi)有固定的功能碼和數(shù)據(jù)格式，可以根據(jù)具體需求自定義通信內(nèi)容。

（4）適用場(chǎng)景不同：Modbus TCP 主要用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換；TCP client 可以用于各種通信場(chǎng)景，包括 Web 客戶端、數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端、文件傳輸?shù)取?/p>

綜上所述，Modbus TCP 是一種特定協(xié)議的 TCP client，用于在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。TCP client 則是一個(gè)更通用的概念，可以與各種服務(wù)器進(jìn)行通信，不受特定協(xié)議限制。

3、ModBusTCP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式是怎樣的？

大體如上圖紅色部分所描述，Modbus TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式如下：

（1）MBAP 頭部（Modbus Application Protocol Header）：

Transaction Identifier（事務(wù)標(biāo)識(shí)符）：2 字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)事務(wù)，通常是遞增的序號(hào)。
Protocol Identifier（協(xié)議標(biāo)識(shí)符）：2 字節(jié)，固定為0，表示 Modbus 協(xié)議。
Length（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）：2 字節(jié)，表示 MBAP 后面數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，包括單元標(biāo)識(shí)符（Unit Identifier）和數(shù)據(jù)字段。
Unit Identifier（單元標(biāo)識(shí)符）：1 字節(jié)，用于標(biāo)識(shí) Modbus 設(shè)備，通常為 1。
（2）PDU（Protocol Data Unit）：

Function Code（功能碼）：1 字節(jié)，表示 Modbus 操作的類型，如讀取保持寄存器、寫入線圈等。
Data（數(shù)據(jù)）：根據(jù)功能碼的不同，數(shù)據(jù)的格式和長(zhǎng)度會(huì)有所變化。

數(shù)據(jù)幀的格式可以根據(jù)不同的功能碼和操作類型而變化，例如：

（1）對(duì)于讀取保持寄存器（Function Code 0x03）：

起始地址：2 字節(jié)，表示要讀取的寄存器的起始地址。
寄存器數(shù)量：2 字節(jié)，表示要讀取的寄存器的數(shù)量。
（2）對(duì)于寫入單個(gè)保持寄存器（Function Code 0x06）：

寄存器地址：2 字節(jié)，表示要寫入的寄存器的地址。
寄存器值：2 字節(jié)，表示要寫入的寄存器的值。

總體來(lái)說(shuō)，Modbus TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式是固定的，但是具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長(zhǎng)度會(huì)根據(jù)功能碼的不同而有所變化。詳細(xì)的數(shù)據(jù)幀格式需要根據(jù)具體的功能碼和操作類型來(lái)確定。

二、一個(gè)Demo及其引發(fā)的問(wèn)題

1、一個(gè)Demo

from pymodbus.client import ModbusTcpClient


if __name__ == "__main__":
    # Modbus TCP服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)
    server_ip = "192.168.1.189"
    port = 502
    station = 1

    # 創(chuàng)建Modbus TCP客戶端
    MDclient = ModbusTcpClient(server_ip, port)
    if MDclient.connect():
        # 讀取保持寄存器的示例
        address = 0  # 起始寄存器地址
        count = 10   # 要讀取的寄存器數(shù)量
        MDclient.write_registers(address, 115, slave=1)
        time.sleep(2)
        response = MDclient.read_holding_registers(10, 10, slave=station)
        print(response.registers[0])
        MDclient.close()

2、pymodbus.client.ModbusTcpClient 都實(shí)現(xiàn)了哪些功能碼

pymodbus.client.ModbusTcpClient 類是 PyModbus 庫(kù)中用于 Modbus TCP 客戶端通信的類。它支持以下常用的 Modbus 功能碼：

（1）讀取線圈狀態(tài)（Read Coils）：功能碼 0x01，用于讀取輸出線圈的狀態(tài)。

read_coils(address, count=1, slave=0)

• address: 起始線圈的地址
• count: 要讀取的線圈數(shù)量
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符（站號(hào)）

（2）讀取離散輸入狀態(tài)（Read Discrete Inputs）：功能碼 0x02，用于讀取輸入線圈的狀態(tài)。

read_discrete_inputs(address, count=1, slave=0)

• address: 起始輸入線圈的地址
• count: 要讀取的輸入線圈數(shù)量
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（3）讀取保持寄存器（Read Holding Registers）：功能碼 0x03，用于讀取保持寄存器的值。

read_holding_registers(address, count=1, slave=0)

• address: 起始保持寄存器的地址
• count: 要讀取的保持寄存器數(shù)量
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（4）讀取輸入寄存器（Read Input Registers）：功能碼 0x04，用于讀取輸入寄存器的值。

read_input_registers(address, count=1, slave=0)

• address: 起始輸入寄存器的地址
• count: 要讀取的輸入寄存器數(shù)量
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（5）寫單個(gè)線圈（Write Single Coil）：功能碼 0x05，用于寫入一個(gè)輸出線圈的狀態(tài)。

write_coil(address, value, slave=0)

• address: 線圈的地址
• value: 要寫入的值，True 表示 ON，F(xiàn)alse 表示 OFF
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（6）寫單個(gè)寄存器（Write Single Register）：功能碼 0x06，用于寫入一個(gè)保持寄存器的值。

write_register(address, value, slave=0)

• address: 寄存器的地址
• value: 要寫入的值
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（7）寫多個(gè)線圈（Write Multiple Coils）：功能碼 0x0F，用于寫入多個(gè)輸出線圈的狀態(tài)。

write_coils(address, values, slave=0)

• address: 起始線圈的地址
• values: 要寫入的線圈狀態(tài)，是一個(gè)布爾值列表
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

（8）寫多個(gè)寄存器（Write Multiple Registers）：功能碼 0x10，用于寫入多個(gè)保持寄存器的值。

write_registers(address, values, slave=0)

• address: 起始寄存器的地址
• values: 要寫入的寄存器值，是一個(gè)整數(shù)列表
• slave: Modbus 單元標(biāo)識(shí)符

3、讀到的結(jié)果與寫入的值為什么是反的

只能說(shuō)有可能是反的。

比如我用 response = MDclient.read_holding_registers(10, 10, slave=station) print(response.registers[0])打印了一個(gè)寄存器，能讀到數(shù)值為17217，轉(zhuǎn)化成16進(jìn)制再轉(zhuǎn)化成字符串為CA，但實(shí)際的字符串應(yīng)該為AC，這是為什么呢？

當(dāng)你期望的結(jié)果是AC而不是CA，說(shuō)明你讀取的數(shù)值可能被解釋為了大端字節(jié)序（big-endian）而不是你期望的小端字節(jié)序（little-endian）。在大端字節(jié)序中，高位字節(jié)保存在低地址，而在小端字節(jié)序中，高位字節(jié)保存在高地址。

這里為什么說(shuō)可能呢？原因很簡(jiǎn)單，通信的兩端如果內(nèi)存存儲(chǔ)方式不一樣，讀到的數(shù)據(jù)就是反的。比如PC是小端序，嵌入式設(shè)備是大端序，存儲(chǔ)在嵌入式設(shè)備的值為AC，高位是A，低位是C，那么PC在以小端序存儲(chǔ)時(shí)，會(huì)把對(duì)方高位的A存儲(chǔ)低位，把對(duì)方低位的C存儲(chǔ)到高位，就變成了CA。

如果二者都是大端序或小端序的存儲(chǔ)方式，則不會(huì)有該問(wèn)題，因?yàn)樗麄兊淖x取和存儲(chǔ)方式都是一樣的。

4、大端序與小端序之間的傳輸

當(dāng)數(shù)據(jù)在大端字節(jié)序（big-endian）和小端字節(jié)序（little-endian）之間傳送時(shí)，通常需要進(jìn)行大小端轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)椴煌?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/">處理器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可能使用不同的字節(jié)序，如果發(fā)送方和接收方的字節(jié)序不同，就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

• 大端字節(jié)序：在大端字節(jié)序中，高位字節(jié)保存在低地址，低位字節(jié)保存在高地址。例如，整數(shù)0x12345678在大端字節(jié)序中存儲(chǔ)為12 34 56 78。
• 小端字節(jié)序：在小端字節(jié)序中，低位字節(jié)保存在低地址，高位字節(jié)保存在高地址。同樣的整數(shù)0x12345678在小端字節(jié)序中存儲(chǔ)為78 56 34 12。

如果數(shù)據(jù)在不同字節(jié)序的系統(tǒng)之間傳遞，發(fā)送方需要將數(shù)據(jù)按照目標(biāo)系統(tǒng)的字節(jié)序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接收方再將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換，以確保數(shù)據(jù)的正確傳遞。在很多網(wǎng)絡(luò)通信和文件傳輸?shù)膱?chǎng)景下，大小端轉(zhuǎn)換是非常常見(jiàn)的操作。

5、線圈、輸入寄存器、保持寄存器、離散寄存器分別占用多少bit位

在Modbus協(xié)議中，不同類型的數(shù)據(jù)（線圈、輸入寄存器、保持寄存器、離散寄存器）占用的位數(shù)如下：

（1）線圈（Coils）：線圈是只能讀寫的二進(jìn)制輸出，每個(gè)線圈占用1位。這意味著一個(gè)線圈的狀態(tài)只能是開(kāi)（1）或者關(guān)（0）。

（2）輸入寄存器（Input Registers）：輸入寄存器是只讀的，每個(gè)輸入寄存器占用16位（2個(gè)字節(jié)）。

（3）保持寄存器（Holding Registers）：保持寄存器是讀寫的，每個(gè)保持寄存器也占用16位（2個(gè)字節(jié)）。

（4）離散輸入（Discrete Inputs）：離散輸入是只讀的二進(jìn)制輸入，每個(gè)離散輸入占用1位。類似于線圈，一個(gè)離散輸入的狀態(tài)只能是開(kāi)（1）或者關(guān)（0）。

總結(jié)：

• 線圈：1位
• 輸入寄存器：16位（2字節(jié)）
• 保持寄存器：16位（2字節(jié)）
• 離散輸入：1位

請(qǐng)注意，這些大小是Modbus協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大小，不同的設(shè)備可能有不同的實(shí)現(xiàn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，你應(yīng)該查閱設(shè)備的文檔以確認(rèn)具體的數(shù)據(jù)大小。

6、一個(gè)保持寄存器能存2個(gè)字母，用兩個(gè)保持寄存器存儲(chǔ)ACK1，第一個(gè)寄存器存儲(chǔ)AC，第二個(gè)存儲(chǔ)K1，大端序會(huì)怎么存儲(chǔ)？

在大端序（Little Endian）下，字節(jié)的存儲(chǔ)順序是低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后。如果每個(gè)保持寄存器能存儲(chǔ)兩個(gè)字母，要存儲(chǔ)字符串“ACK1”，它將被拆分為兩個(gè)部分：'AC' 和 'K1'。以AC為例，A為高位，C為低位。

在大端序下，存儲(chǔ)順序如下：

• 第一個(gè)保持寄存器（低位字節(jié)在前（高位），高位字節(jié)在后（低位））：存儲(chǔ)67（0x43）和65（0x41），即存儲(chǔ)為0x4341。
• 第二個(gè)保持寄存器（低位字節(jié)在前（高位），高位字節(jié)在后（低位））：存儲(chǔ)49（0x31）和75（0x4B），即存儲(chǔ)為0x314B。

所以，在小端序下，字符串“ACK1”會(huì)按照上述方式存儲(chǔ)到兩個(gè)保持寄存器中。

7、如何判斷win10存儲(chǔ)是大端序還是小端序？

在通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)（包括Windows 10系統(tǒng)）中，主流處理器（如x86和x86-64架構(gòu)的處理器）使用的是小端序（Little Endian）存儲(chǔ)。這意味著在存儲(chǔ)多字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，低位字節(jié)存儲(chǔ)在內(nèi)存的低地址處，高位字節(jié)存儲(chǔ)在內(nèi)存的高地址處。

如果你想要確認(rèn)你的Windows 10系統(tǒng)是使用小端序還是大端序，可以使用Python來(lái)進(jìn)行測(cè)試。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的Python代碼片段，它可以幫助你判斷系統(tǒng)的字節(jié)序：

import sys

print(sys.byteorder)

運(yùn)行這段代碼，如果輸出結(jié)果是'little'，說(shuō)明你的系統(tǒng)是小端序；如果輸出結(jié)果是'big'，則表示系統(tǒng)是大端序。在大部分個(gè)人計(jì)算機(jī)上，特別是使用x86和x86-64架構(gòu)的系統(tǒng)，輸出應(yīng)該是'little'。