Modbus RTU、Modbus 库函数

Modbus RTU

与 Modbus TCP 的区别

一般在工业场景中，使用 Modbus RTU 的场景更多一些，Modbus RTU 基于串行协议进行收发数据，包括 RS232/485 等工业总线协议。采用主从问答式（master / slave）通信。
与 Modbus TCP 不同的是，RTU 没有报文头 MBAP 字段，但是在尾部增加了两个 CRC 检验字节（CRC16），因为网络协议中自带校验，所以在 TCP 协议中不需要使用 CRC 校验码。
RTU 和 TCP 的总体使用方法基本一致，只是在创建 Modbus 对象时有所不同。TCP 需要传入网络socket 信息；而 RTU 需要传入串口相关信息。

特点

通信

采用主从问答式（master / slave）通信，由主机发起，一问一答。

设置串口参数

波特率：9600
数据位：8
停止位：1
无流控

协议格式（地址码 + 功能码 + 数据 + 校验码）

Modbus RTU 数据帧包含：地址码、功能码、数据、校验码。
地址码： 从机 ID
功能码： 同 Modbus TCP
数据: 起始地址、数量、数据
CRC 校验码： 两个字节，对 地址码、功能码、数据 进行校验，可以通过函数自动生成

报文详解

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以 03 功能码为例：

主机 ——> 从机：

在这里插入图片描述

从机 ——> 主机：

在这里插入图片描述

模拟器的安装、配置、使用

实际硬件产品成本较高，可以使用一系列 Modbus 软件模拟器，进行数据模拟，从而分析 Modbus RTU 协议。

所用工具

Modbus Slave、vspd 虚拟串口、UartAssist 串口调试工具、虚拟机

安装与配置

一）vspd 虚拟串口的安装

1）将压缩包解压后，双击 vspd.exe 文件进行安装；
在这里插入图片描述

2）打开软件，添加 COM1 和 COM2 端口（用完之后记得删除端口）；
在这里插入图片描述

3）打开设备管理器，出现如下图所示即可；
在这里插入图片描述

4）可以汉化，将 Cracked 下的文件复制到软件安装目录即可。
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二）虚拟机绑定端口

1）VMware 虚拟机（注意不是 ubuntu）在系统关机（必须是关机状态，挂起不行）状态下，
点击：虚拟机 ——> 设置 ——> 硬件 ——> 添加串行端口，添加 COM1；
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2）添加完成后，第一次使用需要将电脑重启；
3）重启之后，打开虚拟机，点击虚拟机 ——> 可移动设备 ——> 串行端口 ——> 连接；
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4）在终端输入dmesg|grep tty，查看对应的设备文件，其中默认的会有 ttyS0 文件，
其余一个（ttyS1 或 ttyS2）就是虚拟串口对应的设备文件。
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三）测试通信

1）Windows 下打开串口调试工具，选择好串口 COM2 ——> COM1，设置对应的波特率；
在这里插入图片描述

2）以下步骤在虚拟机下完成，在虚拟机安装 minicom 软件；sudo apt-get install minicom
在这里插入图片描述

3）在终端执行 sudo minicom -s ，选择 Serial port setup；
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4）设置设备文件，波特率，关闭流控；（按 Ctrl + 相应字母）
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5）回车，保存修改，选择 Save setup as dfl；
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6）可以在以下界面输入字符，查看串口助手的显示情况；
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7）测试通信（终端输入不可见）；
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8）退出：Ctrl + A，然后按 Z，在弹出的界面里输入X，即可退出。
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四）将 Modbus Slave 模拟器作为 RTU 设备的从机

虚拟机绑定 COM1 端口，Modbus Slave 连接 COM2 端口，虚拟机通过编程测试串口通信；
在这里插入图片描述

五）可能遇到的问题

虚拟串口完成主机与 vmware 下虚拟机进行串口通信
VSPD 虚拟串口工具 —— 从此告别硬件串口调试
vmware 虚拟机检测不到 vspd 虚拟串口问题
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Modbus 库

库的安装

安装与配置

1）在 linux 中解压压缩包，tar -xvf libmodbus-3.1.7.tar.gz ；
2）进入源码目录，创建文件夹（存放头文件、库文件）；

	cd libmodbus-3.1.7 
	mkdir install

3）执行脚本 configure，进行安装配置（指定安装目录）；

	./configure--prefix=$PWD/install

在这里插入图片描述

4）执行 make 和 make install

	make 					// 编译
  	make install 			   // 安装

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5）执行完成后会在 install 文件夹下产生对应的头文件、库文件。

使用

1、一般操作：

gcc xxx.c -I ./install/include/modbus -L ./install/lib -lmodbus
./a.out

-I ： 后需要指定出头文件的路径（大写的i）
-L ： 后需要指定库的路径
-l : 后需要指定库名（小写的L）

2、要想编译方便，可以将头文件和库文件放到系统路径下：

sudo  cp install/include/modbus/*.h  /usr/include 
sudo  cp install/lib/*  -r /lib -d

在这里插入图片描述

后期编译时，就可以直接 gcc xxx.c -lmodbus，
头文件默认搜索路径：/usr/include、/usr/local/include
库文件默认搜索路径：/lib、/usr/lib

函数接口

0x01（modbus_read_bits）

int modbus_read_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest); 

功能：读取线圈状态，可读取多个连续线圈的状态（对应功能码为0x01）
参数：
    ctx   ：	Modbus实例
    addr  ：	寄存器起始地址
    nb    ：	寄存器个数
    dest  ：	得到的状态值

0x02（modbus_read_input_bits）

int  modbus_read_input_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest); 

功能：读取输入状态，可读取多个连续输入的状态（对应功能码为0x02）
参数：
    ctx  ：	Modbus 实例
    addr ：	寄存器起始地址
    nb   ：	寄存器个数
    dest ：	得到的状态值
返回值：成功：返回nb的值

0x03（modbus_read_registers）

int  modbus_read_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest); 

功能：读取保持寄存器的值，可读取多个连续保持寄存器的值（对应功能码为0x03）
参数：
    ctx  ：	Modbus 实例
    addr ：	寄存器起始地址
    nb   ：	寄存器个数
    dest ：	得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数
       失败：-1

0x04（modbus_read_input_registers）

int  modbus_read_input_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest);

功能：读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）
参数：
    ctx   ：	Modbus 实例
    addr  ：	寄存器起始地址
    nb    ：	寄存器个数
    dest  ：	得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数
       失败：-1

0x05（modbus_write_bit）

int  modbus_write_bit(modbus_t *ctx, int addr, int status);

功能：写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）
参数：
    ctx   ：	Modbus 实例
    addr  ：	线圈地址
    status：	线圈状态
返回值：成功：0
       失败：-1

0x06（modbus_write_register）

int  modbus_write_register(modbus_t *ctx, int addr, int value);

功能：写入单个寄存器（对应功能码为0x06）
参数： 
    ctx   ：	Modbus 实例
    addr  ：	寄存器地址
    value ：	寄存器的值 
返回值：成功：0
       失败：-1

0x0F（modbus_write_bits）

int  modbus_write_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint8_t *src);

功能：写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）
参数：
    ctx   ：	Modbus 实例
    addr  ：	线圈地址
    nb    ：	线圈个数
    src   ：	多个线圈状态
返回值：成功：0
       失败：-1

0x10（modbus_write_registers）

int  modbus_write_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint16_t *src);

功能：写入多个连续寄存器（对应功能码为16）
参数：
    ctx   ：	Modbus 实例
    addr  ：	寄存器地址
    nb    ：	寄存器的个数
    src   ：	多个寄存器的值 
返回值：成功：0
       失败：-1

编程流程

1）创建实例（modbus_new_tcp / modbus_new_rtu）

modbus_t *modbus_new_tcp(const char *ip, int port); 

功能：以 TCP 方式创建 Modbus 实例，并初始化
参数：
    ip  ：	ip 地址
    port：	端口号
返回值：成功：Modbus 实例
       失败：NULL

modbus_t *modbus_new_rtu(const char *device, int baud, 
                         		char parity, int data_bit, int stop_bit);

功能：用于创建一个用于 Modbus RTU 通信的 modbus_t 结构体实例
参数：
	device：	要打开的串口设备的路径（例如："/dev/ttyUSB0"）
	baud：		波特率（如 9600、19200 等）
	parity：	校验位（可选值：'N' - 无校验、'E' - 偶校验、'O' - 奇校验）
	data_bit：	数据位（常用值为 8）
	stop_bit：	停止位（常用值为 1）
 返回值：成功：Modbus 实例
        失败：NULL

2）设置从机地址（modbus_set_slave）

int  modbus_set_slave(modbus_t *ctx, int slave); 
功能：设置从机ID
参数：
    ctx  ：		Modbus 实例
    slave：		从机 ID
返回值：成功：0
       失败：-1

3）建立连接（modbus_connect）

int  modbus_connect(modbus_t *ctx); 
功能：和从机（slave）建立连接
参数：
    ctx：		Modbus 实例
返回值：成功：0
       失败：-1

4）各种操作（见函数接口）

5）关闭套接字（modbus_close）

void  modbus_close(modbus_t *ctx); 
功能：关闭套接字
参数：ctx：Modbus 实例

6）释放实例（modbus_free）

void   modbus_free(modbus_t *ctx); 
功能：释放 Modbus 实例
参数：ctx：Modbus 实例

练习：

// 和 Slave 通信，读保持寄存器的三个值

#include <stdio.h>
#include <modbus.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <modbus-rtu.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{   
    if (argc != 3){
        printf("Please input %s <ip> <port>. \n", argv[0]);
        return -1;
    }

    modbus_t *ctx;
    ctx = modbus_new_tcp(argv[1], atoi(argv[2]));
    // ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyS1", 9600, N, 8, 1);
    
    if (ctx == NULL){
        perror("Failed to modbus_new_tcp");			// "Failed to modbus_new_rtu"
        return -1;
    }

    if (modbus_set_slave(ctx, 1) < 0){
        perror("Failed to modbus_set_slave");
        return -1;
    }

    if (modbus_connect(ctx) < 0){
        perror("Failed to modbus_connect");
        return -1;
    }

    uint16_t dest[32] = {};

    if (modbus_read_registers(ctx, 0, 3, dest) < 0){
        perror("Failed to modbus_read_registers");
        return -1;
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++)
        printf("%#x ", dest[i]);
    putchar(10);
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        printf("%d ", dest[i]);
    putchar(10);

    modbus_close(ctx);
    modbus_free(ctx);
    return 0;
}

运行结果如下：
在这里插入图片描述

注意：

1、使用 Modbus TCP 协议时，将 slave 的 connect 设置为“Modbus TCP/IP”。
2、使用 Modbus RTU 协议时，将 slave 的 connect 设置为“Serial Port”。
在这里插入图片描述

小目标：

编程实现采集传感器数据和控制硬件设备（传感器和硬件通过 slave 模拟）。
传感器：2个，光线传感器、加速度传感器（x \ y \ z）；
硬件设备：2个，LED灯、蜂鸣器。
要求：
1、多任务编程：多线程、多进程
2、循环 1s 采集一次数据，并将数据打印至终端
3、同时从终端输入指令控制硬件设备
0 1：LED 灯开
0 0：LED 灯关
1 1：蜂鸣器开
1 0：蜂鸣器关

// 同步实现

#include <stdio.h>
#include <modbus.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

modbus_t *ctx;
sem_t sem1, sem2;

void *collector(void *arg){

    uint16_t *dest = (uint16_t *)arg;
    while (1){
        sleep(5);
        sem_wait(&sem1);

        if (modbus_read_registers(ctx, 0, 4, dest) < 0){
            perror("Failed to modbus_read_registers");
            return NULL;
        }
        for (int i = 0; i < 4; i++)
            printf("%d ", dest[i]);
        putchar(10);

        sem_post(&sem2);
    }
    pthread_exit(0);
}

void *control(void *arg){
    
    uint8_t writer[2];
    while (1){
        sem_wait(&sem2);

        printf("Please set status of LED or BUZZER: ");
        for (int i = 0; i < 2; i++)
            scanf("%hhu", &writer[i]);
        
        modbus_write_bit(ctx, writer[0], writer[1]);

        sem_post(&sem1);
    }
    pthread_exit(0);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{   
    if (argc != 3){
        printf("Please input %s <ip> <port>. \n", argv[0]);
        return -1;
    }

    ctx = modbus_new_tcp(argv[1], atoi(argv[2]));
    if (ctx == NULL){
        perror("Failed to modbus_new_tcp");
        return -1;
    }

    if (modbus_set_slave(ctx, 1) < 0){
        perror("Failed to modbus_set_slave");
        return -1;
    }

    if (modbus_connect(ctx) < 0){
        perror("Failed to modbus_connect");
        return -1;
    }

    uint16_t dest[32] = {};

    pthread_t tid1, tid2;
    sem_init(&sem1, 0, 1);
    sem_init(&sem2, 0, 0);

    if (pthread_create(&tid1, NULL, collector, dest)){
        perror("Failed to create a thread named collector");
        return -1;
    }
    pthread_detach(tid1);

    if (pthread_create(&tid2, NULL, control, NULL)){
        perror("Failed to create a thread named input");
        return -1;
    }
    pthread_detach(tid2);

    while (1);
    

    modbus_close(ctx);
    modbus_free(ctx);
    return 0;
}

实现效果如下：
在这里插入图片描述

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