深入解析Modbus TCP协议及其C语言实现示例 ?
Modbus TCP是一种基于TCP/IP网络的工业通信协议，广泛应用于工业自动化系统中的设备数据交换。理解Modbus TCP协议的工作原理和实现方法，对于开发工业控制系统具有重要意义。本文将详细解析Modbus TCP协议，并通过一个C语言示例代码，帮助您深入理解其实现方式。?


一、Modbus TCP协议详解 ?
1.1 协议概述 ?
Modbus TCP是在传统的Modbus协议基础上，结合TCP/IP网络通信而形成的协议。它继承了Modbus的主从架构，使用TCP/IP作为传输层，实现了在以太网环境下的设备通信。

? 重要概念：Modbus TCP协议采用Client/Server模式，其中客户端（Client）相当于传统Modbus的主设备（Master），服务器（Server）相当于从设备（Slave）。

1.2 通信机制 ?

主从架构：客户端主动发起请求，服务器被动响应。
请求-响应模型：每次通信由一个请求报文和一个响应报文组成。
功能码（Function Code）：定义了具体的操作，如读取、写入寄存器等。

1.3 Modbus TCP报文结构 ?
Modbus TCP报文由**Modbus应用数据单元（MBAP）和Modbus协议数据单元（PDU）**组成。
1.3.1 MBAP报头



字段
长度（字节）
描述




事务处理标识（Transaction ID）
2
用于匹配请求和响应


协议标识（Protocol ID）
2
固定为0，表示Modbus协议


长度（Length）
2
后续数据的长度


单元标识（Unit ID）
1
设备地址，通常为1



1.3.2 PDU部分



字段
长度（字节）
描述




功能码（Function Code）
1
指定执行的操作


数据（Data）
N
功能码对应的参数或数据




? 重要提示：Modbus TCP与传统的Modbus RTU相比，取消了CRC校验，因为TCP/IP协议已经提供了完整性校验。

1.4 常用功能码 ?



功能码
描述




0x01
读线圈状态


0x02
读离散输入状态


0x03
读保持寄存器


0x04
读输入寄存器


0x05
写单个线圈


0x06
写单个保持寄存器


0x0F
写多个线圈


0x10
写多个保持寄存器




二、Modbus TCP的寻址方式 ?
Modbus TCP使用IP地址和端口号进行寻址，默认端口号为502。

IP地址：用于定位网络中的从设备。
端口号：标识应用程序的入口，默认为502。


三、C语言实现Modbus TCP通信示例 ?
下面通过一个C语言示例，展示如何实现Modbus TCP的基本通信，包括建立TCP连接、发送请求和接收响应。
3.1 代码结构概览 ?️
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

// 定义服务器IP和端口
#define SERVER_IP "192.168.0.1"
#define SERVER_PORT 502

// 定义Modbus TCP请求和响应的结构体
typedef struct {
    // ...
} ModbusTCPRequest;

typedef struct {
    // ...
} ModbusTCPResponse;

int main() {
    // 定义变量
    // ...

    // 创建套接字
    // ...

    // 连接服务器
    // ...

    // 构造请求帧
    // ...

    // 发送请求
    // ...

    // 接收响应
    // ...

    // 处理响应
    // ...

    // 关闭连接
    // ...

    return 0;
}
​
3.2 详细代码解析 ?
3.2.1 引入头文件
#include <stdio.h>      // 标准输入输出库
#include <stdlib.h>     // 标准库
#include <string.h>     // 字符串处理
#include <unistd.h>     // UNIX标准函数定义
#include <sys/socket.h> // 套接字函数
#include <arpa/inet.h>  // IP地址转换函数
​

? 解释：这些头文件提供了创建套接字、处理字符串和进行输入输出所需的函数。

3.2.2 定义服务器IP和端口
#define SERVER_IP "192.168.0.1"
#define SERVER_PORT 502
​

? 重要提示：将 SERVER_IP替换为目标从设备的实际IP地址。

3.2.3 定义Modbus TCP请求和响应结构体
// Modbus TCP请求帧结构体
typedef struct {
    unsigned short transaction_id;    // 事务处理标识
    unsigned short protocol_id;       // 协议标识，固定为0
    unsigned short length;            // 后续数据长度
    unsigned char unit_id;            // 单元标识（从设备地址）
    unsigned char function_code;      // 功能码
    unsigned short starting_address;  // 起始地址
    unsigned short quantity;          // 寄存器数量
} __attribute__((packed)) ModbusTCPRequest;

// Modbus TCP响应帧结构体
typedef struct {
    unsigned short transaction_id;    // 事务处理标识
    unsigned short protocol_id;       // 协议标识，固定为0
    unsigned short length;            // 后续数据长度
    unsigned char unit_id;            // 单元标识（从设备地址）
    unsigned char function_code;      // 功能码
    unsigned char byte_count;         // 数据字节数
    unsigned char data[256];          // 数据
} __attribute__((packed)) ModbusTCPResponse;
​

? 解释：使用 __attribute__((packed))避免结构体成员的内存对齐填充。

3.2.4 主函数实现
int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    ModbusTCPRequest request;
    ModbusTCPResponse response;
    int bytes_sent, bytes_received;

    // 创建TCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("套接字创建失败");
        
                                                                         MySQL数据同步到ES的4种解决方案
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