Modbus RTU协议及modbus库函数使用

news2024/9/23 9:32:00
一、与Modbus TCP的区别

在一般工业场景使用modbus RTU的场景还是更多一些，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。

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。

二、Modbus RTU特点

Modbus RTU也是主从问答协议，由主机发起，一问一答

Modbus RTU通过串口进行通信

设置串口参数：

设置串口参数时要求：

波特率为9600

8位数据位

1位停止位

无流控

三、Modbus RTU协议格式

ModbusRTU数据帧包含：地址码 功能码 数据 校验码

地址码：一个字节 从机ID

功能码：一个字节 同TCP（八种）

数据：起始地址 数量  数据

校验码：2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。

四、报文详解

03功能码为例

主机---》从机：

01 03 00 00 00 01 84 0a

01：地址码

03：功能码

00 00 ：起始地址

00 01：读的数量

84 0a :校验码

从机--》主机：

01 03 02 00 14 b8 44

01：地址码

03：功能码

02：字节计数（只计算数据的个数）

00 14：数据

b8 44：校验码 

参考示例：

值得收藏 Modbus RTU 协议详解-CSDN博客

五、模拟器的使用

由于实际硬件产品成本较高，我们这里可以使用Modbus软件模拟器，进行数据模拟从而分析Modbus协议。

使用工具：

1. ModbusPoll（模拟主机）和ModbusSlave（模拟从机）

2. vspd虚拟串口

3. UartAssist串口调试工具

设置串口参数要求：波特率为9600   8位数据位  1位停止位 无流控  无校验

虚拟串口的使用：

  • 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

2.安装完成后，找到安装目录，将Cracked下的文件复制到软件安装目录

  1. 打开软件，添加COM1和COM2端口（用完之后记得删除端口）

4.添加完端口后，打开设备管理器，这里出现如下图所示即可。

或

二、虚拟机绑定端口

  1.  将虚拟机在系统关机（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
  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
  4. 当连接上虚拟串口后，在终端输入dmesg | grep tty，可以查看到对应的设备文件，其中默认的会有ttyS0文件，剩下的就是虚拟串口对应的设备文件
  • 测试通信

1.Windows打开串口调试工具，选择好串口COM2->COM1,设置对应的波特率

2. 在虚拟机运行minicom

在虚拟机安装minicom软件

sudo apt-get install minicom

在终端执行sudo minicom -s

1）选择serial port setup，回车

2）设置设备文件，波特率，关闭流控，按如下图设置（文件改成自己的）

dmesg | grep tty 查看文件名

3）修改完成后，回车，保存修改，选择save setup as dfl，敲回车，再次选择exit回车

4）退出后就可以和windows下的串口调试工具进行通信测试

5）也可以在这个界面输入字符，查看串口助手的显示情况。

6）退出：ctrl+A、Z，在弹出的界面里输入X，即可退出。

四、将Modbus Slave模拟器作为RTU设备的从机

虚拟机绑定COM1端口，slave连接COM2端口，虚拟机通过编程测试串口通信

Modbus Slave端的配置如下：

五、可能会遇到的问题

1. 虚拟串口完成主机与vmware下虚拟机进行串口通信

虚拟串口完成主机与vmware下虚拟机进行串口通信_xcom2v2.0怎么用-CSDN博客

2. VSPD虚拟串口工具——从此告别硬件串口调试

『实用教程』VSPD虚拟串口工具——从此告别硬件串口调试_虚拟串口vspd-CSDN博客

3. vmware虚拟机检测不到vspd虚拟串口问题

vmware虚拟机检测不到vspd虚拟串口问题_vmware虚拟机 串口 vspd-CSDN博客

练习：代码完成通过串口读取slave端

串口初始化与校验码获取函数一起编译，管理员身份执行命令，

六、Modbus库

  1. 安装库
    1. 安装配置

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

4. 执行make和make install

make//编译

make install//安装

执行完成后会在install文件夹下生产对应的头文件、库文件件夹install，用于存放产生的头文件、库文件等

    1. 库的使用

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

后期编译时，可以直接gcc xx.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

  1. 函数接口
  1. 以TCP方式创建Modbus实例，并初始化

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

  1. 设置从机ID

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

  1. 和从机（slave）建立连接

一个modbus实例只能链接一个从机：根据提供的引用内容，一个modbus实例只能连接一个从机ID。因为modbus通信协议是基于主从模式的，每个从机都有一个唯一的从机地址，主机通过从机地址来访问不同的从机。因此，一个modbus实例只能连接一个从机ID，如果需要连接多个从机，需要创建多个modbus实例。

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

  1. 释放Modbus实例

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

  1. 关闭套接字

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

  1. 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）

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

7)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）

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

  1. 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）

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

  1. 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）

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

  1. 写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）

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

  1. 写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）

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

  1. 写入单个寄存器（对应功能码为0x06）

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

12)写入多个连续寄存器（对应功能码为16）

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

  1. 编程流程
  1. 创建实例 modbus_new_tcp
  2. 设置从机id modbus_set_slave
  3. 建立连接 modbus_connect
  4. 寄存器操作
  5. 关闭套接字 modbus_close
  6. 释放实例 modbus_free
  1. 练习

通过库函数实现03功能码采集数据

注意：编译不要忘了链接库、查看网络是否能用，查看slave端协议是否正确，查看slave端是否有对应的寄存器类型，查看slave id是否一致

gcc modbus.c -lmodbus

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <modbus.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int ret;
    uint16_t buf[32];
    // 1.创建实例 modbus_new_tcp,端口号字符型转整型
    modbus_t* md = modbus_new_tcp(argv[1],atoi(argv[2]));
    // 2.设置从机id modbus_set_slave
    ret = modbus_set_slave(md, 1);
    if (ret < 0)
    {
        printf("set err\n");
    }
    // 3.建立连接 modbus_connect
    ret = modbus_connect(md);
    if (ret < 0)
    {
        printf("connect err.\n");
    }
    // 4.寄存器操作
    //从0开始读十个寄存器值
    ret = modbus_read_registers(md, 0, 10, buf);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%#x ", buf[i]);
    }
    // 5.关闭套接字 modbus_close,先关闭套接字,再释放实例
    modbus_close(md);   
    // 6.释放实例 modbus_free
    modbus_free(md);
    return 0;
}

1.任务：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

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灯打开

0  0：led灯关闭

1  1：蜂鸣器开

1 0 :  蜂鸣器关

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