modbus_tcp的实现 through python.

0.引言

当前科技似乎处于加速发展期,各个模块都在快速迭代,迭代的速度会让既有的一些经验产生问题,在用python实现modbus_tcp协议时,网上流传的一些代码中import语句会出现问题。导致pymodbus模块用起来很不好用。

这个原因出在一个子模块的命名上。

pymodbus为了区分同步和异步操作,使用了sync和async作为一整个子模块的分支节点名。然后因为asyn是python的关键字,然后呢,python发现了类似的问题,在3.7附近的某个版本,把这个问题改掉了。但是 pymodbus自己同样做了规避。它也改了,直接取消了这两个分支节点。将代码上移。然后既有的一些代码就都会在import阶段就会报错。

用于物联网的数据传输的这些协议,是协议设计的范本。建议通读相关的原始协议细节。吃透。

1. 示例:写寄存器区域0x10指令的实现

correct code after Dec12,2023

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import sys
import struct
from pymodbus.client import ModbusTcpClient# modbus_tcp 0x10 cmd
def gpModbusTcpWriteRegisters(SERVER_HOST, SERVER_PORT, base_addr, u16arrayInBigEndiant):# Create a Modbus TCP clientclient = ModbusTcpClient(SERVER_HOST, SERVER_PORT)# Connect to the Modbus TCP serverclient.connect()# Write to a range of holding registers slave_address = 1response = client.write_registers(base_addr, u16arrayInBigEndiant, slave_address)if response.isError():print('Write error:', response)else:print('Write successful')# Disconnect from the Modbus TCP serverclient.close()#sample frame and comments
'''
frame of 0x10 write holding registers:(write to 0x1000, 40 registers = 80Bytes)
去:
00 01 00 00 00 57 01 10 10 00 00 28 50 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 
回:
00 01 00 00 00 06 01 10 10 00 00 28 ~~~~~ 06字节(这是协议载荷)~~~~~ 0x28=40个寄存器(这是协议载荷)去帧注释:
00 01:事务标识符(Transaction Identifier),用于标识通信的不同事务。
00 00:协议标识符(Protocol Identifier),用于指定使用的 Modbus 协议。
00 57:消息长度(Length),表示请求帧中除了事务标识符和协议标识符之外的字节数。即前六字节后的所有字节和。
01:单元标识符(Unit Identifier),用于指定 Modbus 设备的地址。
10:功能码(Function Code),表示该请求是写多个保持寄存器的请求。
10 00:起始地址(Starting Address),指定要写入的保持寄存器的起始地址。
00 28:寄存器数量(Quantity of Registers),指定要写入的连续保持寄存器的数量。
50:后续数据长度(Byte Count),表示紧随该字节之后的写入数据的字节数。(注意:0x50+0x07=0x57=消息长度(Length))
3F 99:写入数据,表示要写入的第一个保持寄存器的值。3F 99 99 9A = float(1.2)
99 9A:写入数据,表示要写入的第二个保持寄存器的值。
BF 99:写入数据,表示要写入的第三个保持寄存器的值。BF 99 99 9A = float(-1.2)
99 9A:写入数据,表示要写入的第四个保持寄存器的值。
....注1:modbus_tcp无需校验,因为tcp协议会保证正确性。所以尾部没有追加的校验位。
注2:modbus_tcp没有加密和登陆机制,最简单的实现,可以使用向特定寄存器位置写入Magic Word实现,英文似乎称之为Kick off。
注3:计数器:(byte.offset04) 00 57 是字节。(它是帧载荷)(byte.offset10) 00 28 是寄存器。(这是协议载荷)(byte.offset12) 50 是字节。(这是帧载荷)'''

上面是当前有效的命令0x10,区段寄存器写入的代码。其他依此类推。

Modbus协议遵从大端模式,如果自己整理寄存器数据,建议设置为大端模式,避免不必要的三方调试开销:

def floatArray2U16Array(float_array):byte_array = bytes([b for f in float_array for b in bytearray(struct.pack('>f', f))])u16_array = [int.from_bytes(byte_array[i:i+2], 'big', signed=False) for i in range(0, len(byte_array), 2)]return u16_array

因为Modbus每个寄存器是16位,上面将floatArray转为能够供WriteRegisters使用的ushort数组的过程。其他的数据格式以此类推。

2.0x03 读寄存器区域(写寄存器区域0x10的逆操作)

frame of 0x03帧 及其回应帧
去:00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 14 
注3:去帧的的计数器 
     (byte.offset04) 00 06 是字节。(它是帧载荷)
     (byte.offset10) 00 14 是寄存器数量: = 20(0x0014 = 20)个寄存器,(这是协议载荷)

回:00 01 00 00 00 2B 01 03 28 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
注4:回帧的计数器都是字节:
      (byte.offset04)00 2B 是字节;(它是帧载荷)
      (byte.offset08)28 也是字节,(它是帧载荷)

附录A 故障纠错

Modbus调试过程中最容易出现问题有这么几个:

  • 各种计数值的单位,是字节还是寄存器数量。
  • 是否加校验位。
  • 设备id.

A1可直接用于调试的测帧

 A1.1 图例和数据识读

00 57,这是字节尺寸,同一个帧的字节尺寸要彼此匹配。

10 00,这是寄存器地址,可能涉及回应帧之间的匹配。

00 28,这是寄存器数量,可能涉及回应帧字节尺寸和寄存器数量之间的匹配;当前帧字节尺寸的匹配。

  • 字节顺序Offset 04的两个字节,= 整个数据帧长度-6.即帧头6字节以后的所有字节数量。它只和当前待发送的数据帧尺寸有关。
  • 在命令帧之后,真正的寄存器数据之前,还有一个字节长度。这个长度仅仅与数据区段的字节长度有关。仅仅与当前帧有关。

A1.2 0x10 区段寄存器写

  1. 去:
    00 01 00 00 00 57 01 10 10 00 00 28 50 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 3F 99 99 9A BF 99 99 9A 
  2. 回:
    00 01 00 00 00 06 01 10 10 00 00 28 

A1.3 0x03 区段寄存器读

  1. 去:
    00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 14
  2. 回:
    00 01 00 00 00 2B 01 03 28 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 

附录B 一个测试用的modbus_tcp服务器

pymodbus目前似乎在尝试把服务器功能再次封装。而不是通过直接封装在pymodbus里的StartAsyncTcpServer来实现。当前的doc甚至把这些函数的传入参数隐藏了起来。

注意:pyModbusTCP是一个独立的组件。

#!/usr/bin/env python3"""
Modbus/TCP server
~~~~~~~~~~~~~~~~~Run this as root to listen on TCP privileged ports (<= 1024).Add "--host 0.0.0.0" to listen on all available IPv4 addresses of the host.
$ sudo ./server.py --host 0.0.0.0
"""import argparse
import logging
from pyModbusTCP.server import ModbusServer# init logging
logging.basicConfig()
# parse args
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('-H', '--host', type=str, default='localhost', help='Host (default: localhost)')
parser.add_argument('-p', '--port', type=int, default=502, help='TCP port (default: 502)')
parser.add_argument('-d', '--debug', action='store_true', help='set debug mode')
args = parser.parse_args()
# logging setup
if args.debug:logging.getLogger('pyModbusTCP.server').setLevel(logging.DEBUG)
# start modbus server
server = ModbusServer(host=args.host, port=args.port)
server.start()

附录C python相关的组件安装指令:

这里有一个用于组件升级的语法,还有一个用于组件安装的语法。国内访问国外原始的python组件库速度会太慢。这里实际引用的是国内镜像站。另外,使用python打头的语法,可以控制当前设备上具体的python示例(你的机器上可能安装有多个Python版本),你可以把最前面的python替换为某个特定目录下的python.exe的全路径。

python -m pip install --upgrade pip --timeout 200 -i http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/  --trusted-host mirrors.aliyun.com


python -m pip install pymodbus  --timeout 200 -i http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/  --trusted-host mirrors.aliyun.com

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