全场景——（七）libmodbus 使用

文章目录

一、libmodbus开发库
- 1.1 功能概要
- 1.2 源码获取
- 1.3 libmodbus与应用程序的关系
二、libmodbus源代码解析
- 2.1 核心函数
- 2.2 框架分析与数据结构
- 2.3 情景分析
- - 2.3.1 初始化
  - 2.3.2 主设备发送请求
  - 2.3.3 从设备接收请求
  - 2.3.4 从设备回应
- 2.4 常用接口函数
- - 2.4.1 各类辅助接口函数
  - 2.4.2 各类Modbus功能接口函数
  - 2.4.3 数据处理的相关函数或宏定义
- 2.5 RTU/TCP关联接口函数
- - 2.5.1 RTU模式关联函数
  - 2.5.2 TCP模式关联函数
三、libmodbus移植与使用
- 3.1 移植方法
- 3.2 使用USB串口作为后端
- 3.3 libmodbus从机实验(USB串口)
- 3.4 libmodbus主机实验(USB串口)
- 3.5 使用板载串口作为后端
- - 3.5.1 使用UART_Device
  - 3.5.2 用作后端
- 3.6 libmodbus实验(板载串口)

一、libmodbus开发库

1.1 功能概要

libmodbus是一个免费的跨平台支持RTU和TCP的Modbus库，遵循LGPL V2.1+协议。libmodbus支持Linux、Mac Os X、FreeBSD、QNX和Windows等操作系统。libmodbus可以向符合Modbus协议的设备发送和接收数据，并支持通过串口或者TCP网络进行连接。

作为一个开源项目，libmodbus库还处于开发测试阶段，代码量还不十分庞大，文档和注释也不够全面，本章通过对libmodbus源代码的阅读过程，一方面可以进一步理解Modbus协议，同时也可以学习一个好的开源项目的代码组织及开发过程。 libmodbus的官方网站为 http://libmodbus.org/，可以从 http://libmodbus.org/download/ 下载源代码。作为开源软件，还可以从GitHub网站获取最新版本的代码GitHub: https://github.com/stephane/libmodbus.git

1.2 源码获取

libmodbus的源码不断更新，本教程选择版本v3.1.10。打开https://github.com/stephane/libmodbus/tags ，如下图下载：

在这里插入图片描述

解压后，简单查看源代码根目录的构成：

doc目录: libmodbus库的各API接口说明文档。
m4目录: 存放GNU m4文件，在这里对理解代码没有意义，可忽略。
src目录: 全部libmodbus源文件。
tests目录: 包含自带的测试代码其他文件对理解源代码关系不大，可以暂时忽略

图6-2解压libmodbus源代码：

在这里插入图片描述

进一步展开src代码目录，如图6-3所示：

图6-3libmodbus源码构成：

在这里插入图片描述

各文件作用如下：

win32: 定义在Windows下使用Visual Studio编译时的项目文件和工程文件以及相关配置选项等。其中，modbus-9.sln默认使用Visual Studio 2008。
Makefile.am: Makefile.am是Linux下AutoTool编译时读取相关编译参数的配置文件，用于生成Makefile文件，因为用于Linux下开发，所以在这里暂时忽略
modbus.c: 核心文件，实现Modbus协议层，定义共通的Modbus消息发送和接收函数各功能码对应的函数。
modbus.h: libmodbus对外暴露的接口API头文件。
modbus-data.c: 数据处理的共通函数，包括大小端相关的字节、位交换等函数
modbus-private.h: libmodbus内部使用的数据结构和函数定义。
modbus-rtu.c: 通信层实现，RTU模式相关的函数定义，主要是串口的设置、连接及消息的发送和接收等。
modbus-rtu.h: RTU模式对外提供的各API定义
modbus-rtu-private.h: RTU模式的私有定义。
modbus-tcp.c: 通信层实现，TCP模式下相关的函数定义，主要包括TCP/IP网络的设置连接、消息的发送和接收等。
modbus-tcp.h: 定义TCP模式对外提供的各API定义
modbus-tcp-private.h: TCP模式的私有定义。
modbus-version.h.in: 版本定义文件。

1.3 libmodbus与应用程序的关系

libmodbus是一个免费的跨平台支持RTU和TCP的Modbus开发库，借助于libmodbus发库能够非常方便地建立自己的应用程序或者将Modbus通信协议嵌入单体设备libmodbus开发库与应用程序的基本关系如图6-4所示。

图6-4应用程序与libmodbus的关系：

在这里插入图片描述

在对libmodbus的接口及代码框架简单了解之后，不妨再深入细节一探究竟，看看libmodbus都实现了哪些基础功能，以及源代码中对Modbus各功能码和消息顿是如何包装的。具体内容请参看下一章。

二、libmodbus源代码解析

libmodbus作为一个优秀且免费开源的跨平台支持RTU和TCP模式的Modbus开发库，非常值得大家借鉴和学习。本章对libmodbus源代码进行阅读和分析。

2.1 核心函数

以Modbus RTU协议为例，主设备、从设备初始化后：

主设备就可以启动请求，即“发送消息”给从设备
从设备接收到请求后构造数据，启动响应即“发送回复”
主机收到响应后，会“检查响应”

如下图所示：

在这里插入图片描述

分析“libmodbus-3.1.10\tests\unit-test-client.c”、“libmodbus-3.1.10\tests\unit-test-server.c”，可以得到下面核心函数的使用过程：

在这里插入图片描述
在主设备（Client）中流程如下：

下面有写数据函数，一路进去解析如下：

在从设备（Server）中流程如下：
在这里插入图片描述

2.2 框架分析与数据结构

站在APP开发的角度来说，使用上一节里介绍的libmodbus函数即可。但是，数据的传输必定涉及到底层数据传输。所以，从数据的收发过程，可以把使用libmodbus的源码分为3层：

APP：它知道要做什么，主设备要读写哪些寄存，从设备提供、接收什么数据
Modbus核心层：向上提供接口函数，向下调用底层代码构造数据包并发送、接收数据包并解析
后端（数据传输）：进行硬件相关的数据封包与发送、接收与解包

在这里插入图片描述

对于核心层、后端，抽象出了如下结构体：

在这里插入图片描述

核心层modbus_t结构体的成员含义如下：

成员	含义
int slave;	从站设备地址
int s;	RTU下是串口句柄，TCP下是Socket
int debug;	是否启动Debug模式（打印调试信息）
int error_recovery;	错误恢复模式：MODBUS_ERROR_RECOVERY_NONE：由APP处理错误MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK：如果有连接错误，则重连MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL：如果数据不符合协议要求，则清空所有数据
int quirks;	一些奇怪的功能，比如：MODBUS_QUIRK_MAX_SLAVE：从站地址最大值可以到达255MODBUS_QUIRK_REPLY_TO_BROADCAST：回应广播包
struct timeval response_timeout;	等待回应的超时时间，默认是0.5S
struct timeval byte_timeout;	接收一个字节的超时时间，默认是0.5S
struct timeval indication_timeout;	等待请求的超时时间
const modbus_backend_t *backend;	硬件传输层的结构体
void *backend_data;	硬件传输层的私有数据

后端modbus_backend_t结构体的成员含义如下：

成员	含义
unsigned int backend_type;	后端类型，是RTU还是TCP
unsigned int header_length;	头部长度，比如RTU数据包前面需要有1字节的设备地址，头部长度就是1
unsigned int checksum_length;	校验码长度，RTU的校验码是2字节
unsigned int max_adu_length;	ADU（数据包）最大长度
set_slave	设置从站地址
build_request_basis	设置RTU请求包的基本数据，这些数据的格式是一样的，比如req[0]是从设备地址，req[1]是功能码，req[2]和req[3]是寄存器地址，req[4]和req[5]是寄存器数量
build_response_basis	设置RTU回应包的基本数据，这些数据的格式是一样的，比如req[0]是从设备地址，req[1]是功能码
prepare_response_tid	生产传输标识TID，在TCP中使用
send_msg_pre	发送消息前的准备工作，对于RTU是填充CRC检验码，对于TCP是填充头部的Length
send	发送数据包
receive	接收数据包
recv	接收原始数据，receive会调用recv得到原始数据然后解析出数据包
check_integrity	检查数据包的完整性
pre_check_confirmation	检查响应数据包是否有效时，先执行pre_check_confirmation做一些简单的检查
connect	硬件相关的连接，对于RTU就是打开串口、设置串口波特率等；对于TCP则是连接对端
is_connected	判断是否已经连接
close	关闭连接
flush	清空接收到的、未处理的数据
select	阻塞一段时间以等待数据
free	释放分配的modbus_t等结构体

2.3 情景分析

2.3.1 初始化

在 client 的 main.c 主函数中可以看到 modbus_new_rtu 函数，详细如下：
在这里插入图片描述
进入到 modbus_new_rtu 函数内部，分析如下：

对于设置后端详细数据如下：

在 client.c 中设置需要访问的从设备地址，如下：

进入到 modbus_set_slave 函数中，可以看到调用到前面我们强调的 backend 中的一些参数：
在这里插入图片描述
进入到 backend 结构体中可以找到该参数：

进入到该参数函数内部，详细如下：

modbus 结构体参数详细如下：

主设备要想去访问从设备，通过串口进行收发数据，在主设备中为串口创建了一个 modbus_t 结构体，并且我们设置了其中的 slave 参数，设置完之后一开始输入的宏 SERVER_ID 就等于 salve 参数，即为主设备要去访问的从设备地址。
主设备知道了从设备的地址，接下来的操作就是连接从设备，如下：
在这里插入图片描述
进入到 modbus_connect 函数内部，详细如下：

可见还是调用到后端中的 connect 函数，详细如下：

进入到 conne 函数内部，打开了串口，并且设置参数，如下（这里截图了主要部分）：

以“modbus_write_bits”函数（写多个寄存器）为例，分析下图的执行流程：

在这里插入图片描述

2.3.2 主设备发送请求

在这里插入图片描述
在上面的 modbus_write_bits 函数中，构造基础请求包：

这里的 byte_count 计数含义如下：这里意思是要写入的数据数量（字节），比如我们想写入9个位寄存器，有公式可得 9/8 = 1、(9%8 = 1) ? 1:0 = 1，两者相加则等于 2 ，所以这里需要发送两个字节，因为一个字节表示八位数据，这里要写入9个位寄存器就只能发送两个字节。
构造基础请求包调用的是后端 backend 结构体中的函数，如下：
在这里插入图片描述
函数内部详细如上，这里我们可以观察前面的写多个线圈的函数内部进行比较，如下：

在这里插入图片描述

可见数据能够进行一一对应。这里的构造基础信息就是帮助主设备构造好从设备地址、功能码、起始地址以及寄存器数。（这里有个小细节：最前面是构造请求包，但是它下面有条计算字节数的公式，通过计算我们得知 byte_count 为2，成功对应上写多个线圈的字节数，同时字节数对应 req[6]，所以这里 req[6] = 2）

在这里插入图片描述
这里需要注意：modbus_write_bits 函数的src 传入的是一个字节表示一个位，用一个位来表示寄存器的数值，构造该请求包时需要把一个字节转换成一个位。

2.3.3 从设备接收请求

进入到 server.c 中，找到 main.c，对其中接收数据函数进行分析，其初始化与主机发送请求类似：
在这里插入图片描述
进入 modbus_receive 函数内部，可以看到其调用的是 backend 结构体中的 receive 函数：

找到 backend 结构体，并进入 _modbus_rtu_receive 函数内部：

不难发现，函数内部调用的是 backend 结构体中的 _modbus_receive_msg 函数，同时此函数对应了主设备中的 _modbus_receive_msg 函数，但是两者是有区别的，两者的区别在于第三个参数，如下：
在这里插入图片描述
对于主机调用 _modbus_receive_msg 函数是接收从机答复，对于从机调用 _modbus_receive_msg 函数是接收主机发送的请求。

一、等待数据：调用 select 函数判断是否有数据，如果返回值不等于-1则说明等待到了数据但是还没有去读数据，如果返回值等于1则说明没有等待到数据，同时第三个参数是时间参数，可以设置一个超时时间。
在这里插入图片描述

二、读取原始数据：如果返回值不等于-1说明等待到了数据，那么就调用 backend 结构体中的 recv 函数来读取原始数据。
在这里插入图片描述

三、分阶段读取数据：接收到的字符数量在 rc 中记录下来，将上一次已经读取的字符减掉接收到的字符数量赋给 length_to_read，如果 length_to_read = 0，则说明读取完毕。即为上一阶段的数据是否已经接收完毕。如果已经接收完毕，下面的函数会继续计算下一个阶段要读取的数据长度。先计算下一阶段的数据长度（length_to_read），再循环读。

在这里插入图片描述
一、二、三为一个完整的循环，会读取到以一个完整的数据包。
四、检查数据包的完整性。

想去读一个数据包，一开始要先知道读取的字节长度，第一次要读取的数据为头部长度+1，第一个状态要去读取 _STEP_FUNCTION 这个功能（即功能码），所以在这里是要读取到功能码，功能码在第二个字节处，所以 length_to_read = 2，则 header_length = 1。
在这里插入图片描述
与（一）一样，在下面的 while 循环中，会去读取两个字节，读到两个字节之后（从设备地址和功能码）进行判断后面需要读取多少个字节，进入到compute_meta_length_after_function函数内部，发现如果是写入多个线圈则需要读取5个字节，刚好对应上功能码后面的起始地址高位到字节数。
在这里插入图片描述

确定了后面要读取5个字节（原始数据，对应 _STEP_META），就会再次进行循环，等待5个数据，当读取到五个数据之后会进入 compute_data_length_after_meta 函数，由前面可知 header_length = 1，所以这里的 length = msg[6]，刚好是前面的从设备地址到字节数总共6个字节。
在这里插入图片描述

最后一步是校验码，对应 _STEP_DATA，前面总共读取了7个字节，对应到msg[6]，所以这里需要再读取msg[6]+2个字节，刚好对应上校验位（包括前面的字节数）。所以在这里确定了读数据的字节数，会再次进行循环，等待数据全部读取完毕，数据读取完毕则会检查数据完整性。
在这里插入图片描述
这里调用的是 backend 结构体中的函数，进入函数内部可以知道：从设备进行判断，如果是发给从设备的，会进行判断，如果不是发给从设备，则返回0。同时会去检查校验码，会使用收到i的数据（从设备地址到变更数据低位）算出一个校验码，与接收到的校验码进行对比，如果两者相同则表示接收到正确的数据。
在这里插入图片描述

补充：对于前面的 select 函数会判断是否有数据，同时会设置一个超时时间，对于这个超时时间我们可以进行了解：
在这里插入图片描述
从机调用 modbus_receive 函数是不知道主机什么时候将数据发送给从机，那么在该函数中到底愿意等待多久呢，这个时间是如何确定的，从机等待主机发送请求，在 _modbus_receive_msg 函数的第三个参数 msg_type 是 MSG_INDICATION，表示等待的数据包是主机发送的，如果想等待主机发送过来的请求，这个超时时间就是这条总线中的 indication_timeout（从机等待主机请求的时间），并且这个时间是可以去设置的，如果将该超时时间设置的非常大，那么在接下来的循环中等待第一个数据时会等待很久，类似于 freertos 中的阻塞，不会浪费 CPU 资源，调用的是查询方式。这里如果是主教调用该函数，则这个超时时间就是主机愿意等待从机回应的超时时间。
在这里插入图片描述

这里主要是接收主机发送请求（从设备地址和功能码）可以将超时时间设置很大，并且会在一个循环中，会一直等待请求，如果是执行接收后续数据（起始地址、寄存器数和数据），可以将超时时间设置为只愿意等待一个字节的时间。
在这里插入图片描述

2.3.4 从设备回应

在这里插入图片描述

创建一个 modbus 设备时，可以去分配下面几个寄存器的内存。

在这里插入图片描述

在 server.c 中的 modbus_mapping_new_start_address 函数会创建一个 mapping 结构体，这个结构体就是用来描述一个从机的寄存器。

在这里插入图片描述

想使用上面的数组，只需要去调用 modbus_reply 函数，当从机接收到主机发送的请求，调用该函数会根据请求来写或读寄存器。

在这里插入图片描述

当接收到主设备发送的消息之后，从设备调用 modbus_reply 函数会先去解析数据包（即主机的请求），接下来就是读或写 mapping 结构体中的数组，最后就是发出回应。比如现在主机要读取单个线圈，从机接收到请求之后调用 modbus_reply 函数就会去读 mapping 结构体中的读单个线圈数组，将其中每一位的数值找到，将数值构造成一个回应的数据包并发送给主机；若主机要写单个线圈，从机接收到请求之后调用 modbus_reply 函数把请求数据包中的数据挑出来，写入到 mapping 结构体中的某个读单个线圈数组，写完之后需要发送一个回应给主机表示已经写入完毕。

在这里插入图片描述

在读取多个线圈中，由一开始可知 offest = 1，所以第一行代码 offest + 3 对应的位置就是寄存器数的高位，offest + 4 对应的是寄存器数的低位；第二行代码以此类推，得到字节数；第三行中的 address - mb_mapping->start_bits（起始位）主要是做了下标的转换，例如在构造 mapping 结构体时，buf 的第0项对应了 start_bits 的第100个寄存器，如果此时主机想去访问第101个寄存器，则需要进行如下操作：101 - 100 = 1，此时的 1 就是 buf[1]，对应了第101个寄存器。

在这里插入图片描述

进行某些异常判断：若要写入的寄存器数小于1则为异常；写入的寄存器数超过写入的最大值则为异常；写入位寄存器后后续提供的数据字节数不足则为异常。

在这里插入图片描述

这个函数主要是将主机发送来的请求中含有的数据挑出来，写到 mb_mapping->tab_bits 数组中，完成了数据的更新。

在这里插入图片描述

该函数主要是构建基础回应包，进入函数内部可以看到，主要是设置了从机的设备地址和功能码，接着就将后面的四位数据复制下来，也就是起始地址高低位、寄存器数高低。

在这里插入图片描述

最后就是发送数据给主机，主要就是构造校验码(CRC)，接着就是写串口，将数据写入串口发送给主机，完成回应。

在这里插入图片描述

在上面我们用的都是 modbus_reply 函数，我们也可以通过自己构造数据包，调用 modbus_send_raw_request 函数进行回应。

在这里插入图片描述

进入到函数内部，他会构造一个基础回应包，该回应包会含有从机地址以及功能码，接着拷贝后面的原始数据（数据域字节数、数据高低位），拷贝进前面构造的req[MAX_MESSAGE_LENGTH] 数组，最后发送消息，在发送消息函数中会去构造两个字节的校验码，接着写串口，将数据发送给主机。

2.4 常用接口函数

下面分析 libmodbus开发库提供的所有接口API函数。其主要对象文括 modbus.h 和 modbus.c ,接口函数大致可分为3类,以下分别进行介绍。

2.4.1 各类辅助接口函数

MODBUS_API int modbus_set_slave(modbus t * ctx,int slave)

此函数的功能是设置从站地址，但是由于传输方式不同而意义稍有不同。

RTU模式 :

如果 libmodbus应用于主站设备端，则相当于定义远端设备ID ；如果libmodbus应用于从站设备端，则相当于定义自身设备 ID ；在 RTU 模式下参数 slave 取值范围为 0~247 ，其中 0(MODBUS_BROADCAST_ADDRESS) 为广播地址。

TCP模式:

通常，TCP 模式下此函数不需要使用。在某些特殊场合，例如串行 Modbus设备转换为 TCP模式传输的情况下,此函数才被使用。此种情况下,参数 slave取值范围为 0~247 ，0 为广播地址;如果不进行设置,则 TCP 模式下采用默认值 MODBUS TCP SLAVE(OXFF) 。

下面的代码以 RTU模式、主设备(MASTER)端为例：

modbus_t * ctx;

ctx=modbus_new_rtu("COM4"，115200，'N'，8，1);

if (ctx ==NULL)

{

  fprintf(stderr，"Unable to create the libmodbus context\n");

  return -1;

}

rc =modbus_set_slave(ctx，YOUR DEVICE ID);

if (rc==-1)

{

  fprintf(stderr，"Invalid slave ID\n");

  modbus free(ctx);

  return -1;

}

if (modbus connect(ctx)==-1)

{

  fprintf(stderr,"Connection failed:sn",modbus strerror(errno));

  modbus free(ctx);

  return -1;

}

MODBUS_APIintmodbus_set_error_recovery(modbus_t*ctx，modbus_error_recovery_mode error_recovery)：

此函数用于在连接失败或者传输异常的情况下,设置错误恢复模式。有 3种错误恢复模式可选。

typedef enum

{

  MODBUS_ERROR_RECOVERY_NONE        =0,             //不恢复

  MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK        =(1<<1),           //链路层恢复

  MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL      =(1<<2)           //协议层恢复

}modbus error recovery mode;

默认情况下，设置为 MODBUS_ERROR_RECOVERY_NONE ，由应用程序自身处理错误；若设置为 MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK ，则经过一段延时 libmodbus 内部自动尝试进行断开/连接；若设置为 MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL ，则在传输数据 CRC 错误或功能码错误的情况下,传输会进入延时状态，同时数据直接被清除。在 SLAVE/SERVER 端，不推荐使用此函数。

基本用法举例:

modbus_set_error_recovery(ctx,MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK|MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL)；

MODBUS_API int modbus_set_socket(modbus t * ctx,int s)

此函数设置当前 SOCKET 或串口句柄要用于多客户端连接到单一服务器的场合。简单用法举例如下，后续介绍函数 modbus_tcp_listen() 时将会进一步介绍相关用法。

#define NB_CONNECTION 5

modbus_t * ctx;

ctx=modbus_new_tcp("127.0.0.1", 1502)

server_socket = modbus_tcp_listen(ctx,NB_CONNECTION);

FD_ZERO(&rdset);

FD_SET(server_socket,&rdset);

/* ... */

if (FD_ISSET(master_socket,&rdset))

{

  modbus_set_socket(ctx,master_socket);

  rc =modbus_receive(ctx,query);

  if(rc!=-1)

  {

  modbus_reply(ctx,query, rc,mb_mapping);

  }

}

MODBUS_API int modbus_get_response_timeout (modbus_t * ctx, uint32_t * to_sec, uint32_t * to_usec)；

MODBUS_API int modbus_set_response_timeout (modbus_t * ctx, uint32_t * to_sec, uint32_t * to_usec)；

用于获取或设置响应超时,注意时间单位分别是秒和微秒。

MODBUS_API int modbus_get_byte_timeout (modbus_t * ctx, uint32_t * to_sec，uint32_t * to_usec);

MODBUS_API int modbus_set_byte_timeout (modbus_t * ctx, uint32_t * to_sec，uint32_t * to_usec)；

用于获取或设置连续字节之间的超时时间,注意时间单位分别是秒和微秒。

MODBUS_API intmodbus_get_header_length (modbus_t * ctx)；

获取报文头长度。

MODBUS_API int modbus_connect (modbus_t * ctx)；

此函数用于主站设备与从站设备建立连接。

在 RTU 模式下，它实质调用了文件 modbus_rtu.c 中的函数 static int modbus_rtu_connect (modbus_t * ctx) ；在此函数中进行了串口波特率校验位、数据位、停止位等的设置。

在 TCP 模式下，modbus_connect() 调用了文件 modbus_tcp.c 中的函数 static int_modbus_tcp_connect (modbus_t * ctx ) ；在函数 _modbus_tcp_connect() 中，对 TCP/IP 各参数进行了设置和连接。

MODBUS_API void modbus_close (modbus_t * ctx)；

关闭 Modbus 连接。在应用程序结束之前，一定记得调用此函数关闭连接在 RTU 模式下,实质是调用函数 _modbus_rtu_close(modbus_t * ctx) 关闭串口句柄；在 TCP 模式下,实质是调用函数 _modbus_tcp_close(modbust * ctx) 关闭 Socket 句柄。

MODBUS_API void modbus_free (modbus_t * ctx)；

释放结构体 modbus_t 占用的内存。在应用程序结束之前，一定记得调用此函数

MODBUS_API int modbus_set_debug (modbust * ctx, int flag)；

此函数用于是否设置为DEBUG模式。

若参数 flag 设置为TRUE,则进入 DEBUG模式。若设置为FALSE,则切换为非 DEBUG模式。在 DEBUG模式下所有通信数据将按十六进制方式显示在屏幕上，以方便调试。

MODBUS_API const char * modbus_strerror (int errnum）；

此函数用于获取当前错误字符串。

2.4.2 各类Modbus功能接口函数

MODBUS_API int modbus_read_bits (modbus t * ctx, int addr, int nb, uint8_t * dest)；

此函数对应于功能码 01(0x01) 读取线圈/离散量输出状态(Read Coil Status/DOs)，其中，所读取的值存放于参数 uint8_t * dest 指向的数组空间因此 dest 指向的空间必须足够大,其大小至少为 nb * sizeof(uint8_t) 个字节。

用法举例:

#define SERVER ID        1
#define ADDRESS START      0
#define ADDRESS END       99

modbus_t * ctx;

uint8_t * tab_rp_bits;
int rc;
int nb;

ctx=modbus_new_tcp("127.0.0.1",502);
modbus_set_debug(ctx，TRUE);
if (modbus_connect(ctx)==-1)

{
  fprintf(stderr,"Connection failed:%s\n", modbus_strerror(errno));
  modbus free(ctx);
  return -1;
}

//申请存储空间并初始化
int nb = ADDRESS_END - ADDRESS_START;
tab_rp_bits = (uint8_t * ) malloc (nb * sizeof(uint8_t));
memset(tab_rp_bits, 0, nb * sizeof(uint8_t));

//读取一个线圈
int addr =1;
rc =modbus_read_bits(ctx,addr,1,tab_rp_bits);
if (rc !=1)
{
  printf("ERROR modbus_read_bits_single (%d)\n", rc);
  printf("address =%d\n", addr);
}

//读取多个线圈

rc =modbus_read_bits(ctx,addr,nb,tab_rp_bits);
if (rc !=nb)
{
  printf("ERROR modbus_read_bits\n");
  printf("Address =%d,nb =%d\n", addr, nb);
}

//释放空间关闭连接

free(tab_rp_bits);
modbus_close(ctx);
modbus_free(ctx);

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

此函数对应于功能码 02(0x02) 读取离散量输入值(Read Input Status/DIs)，各参数的意义与用法，类似于函数 modbus_read_bits() 。

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

此函数对应于功能码 03(0x03) 读取保持寄存器(Read Holding Register),其中,所读取的值存放于参数 uint16_t * dest 指向的数组空间因此 dest 指向的空间必须足够大,其大小至少为 nb * sizeof(uint16_t) 个字节。

当读取成功后,返回值为读取的寄存器个数;若读取失败,则返回-1。此函数调用依赖关系如下图6-5所示。

用法举例:

modbust * ctx;
uint16_t tab_reg[64];
int rc;
int i;

ctx=modbus_new_tcp("127.0.0.1",502);
if (modbusconnect(ctx)==-1)
{
  fprintf(stderr,"Connection failed:%s\n", modbus_strerror(errno));
  modbus_free(ctx);
  return -1;
}

//从地址0开始连续读取10个

rc =modbus_read_registers(ctx,0,10,tab_reg);
if (rc ==-1)
{
  fprintf(stderr,"%s\n",modbus_strerror(errno));
  return -1;
}

for (i=0;i<rc;i++)
{
  printf("reg[%d]=%d(0x%X)\n",i,tab_reg[i],tab_reg[i]);
}

modbus_close(ctx);
modbus_free(ctx);

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

此函数对应于功能码 04(0x04) 读取输人寄存器(Read Iput Register)，各参数的意义与用法,类似于函数 modbus_read_registers() 。

此函数的调用依赖关系如下图 6-6 所示。

图6-6函数 modbus_read input_registers()的调用依赖关系：

MODBUS_API int modbus_write_bit (modbus_t * ctx, int coil_addr, int status)：

该函数对应于功能码 05(0x05) 写单个线圈或单个离散输出(Force SingleCoil)。其中参数 coil_addr 代表线圈地址；参数 status 代表写值取值只能是TRUE(1)或 FALSE(0) 。

MODBUS_API int modbus_write_register (modbus_t * ctx，int reg_addr, int value)：

该函数对应于功能码 06(0x06) 写单个保持寄存器(Preset Single Register)。

MODBUS_API int modbus_write_bits (modbus_t * ctx, int addr, int nb, const uint8_t * data)：

该函数对应于功能码 15(0x0F) 写多个线圈(Force Multiple Coils)

参数 addr 代表寄存器起始地址,参数 nb 表示线圈个数，而参数 const uint8_t * data 表示待写入的数据块。一般情况下,可以使用数组存储写入数据,数组的各元素取值范围只能是 TRUE(1)或 FALSE(0) 。

MODBUS_API int modbus_write_registers (modbus_t * ctx, int addr, int nb, const uint16_t * data)：

该函数对应于功能码 16(0x10) 写多个保持存器(Preset MultipleRegisters)

参数 addr 代表寄存器起始地址,参数 nb 表示存器的个数而参数 const uint16_t * data 表示待写人的数据块。一般情况下,可以使用数组存储写入数据数组的各元素取值范围是 0~0xFFFF 即数据类型 uint16_t 的取值范围。

MODBUS_API int modbus_mask_registers (modbus_t * ctx, int addr, uint16_t and_mask, uint16_t or_mask )：

modbus_mask_write_register() 函数应使用以下算法修改远程设备地址“addr”处的保持寄存器的值：

新值 = (current value AND ‘and’) OR (‘or’ AND (NOT ‘and’)) 。

该功能使用 Modbus 功能代码 0x16（掩码单个寄存器）。

MODBUS_API int modbus_write_and_read_registers (mobus_t * ctx ,

int writer_addr,

int writer_nb,

const uint16_t * src,

int read_addr,

int read_nb,

uint16_t * dest);

modbus_write_and_read_registers() 函数应将 write_nb 保持寄存器的内容从数组 “src” 写入远程设备的地址 write_addr ，然后将 read_nb 保持寄存器的内容读取到远程设备的地址 read_addr 。读取结果作为字值（16 位）存储在 dest 数组中。

必须注意分配足够的内存来存储结果 dest (至少 nb * sizeof(uint16_t)）。该功能使用 Modbus 功能代码 0x17（写/读寄存器）。

MODBUS_API int modbus_report_slave_id (modbus_t * ctx, int max_dest, uint8_t * dest)：

该函数对应于功能码 17(0x11) 报告从站ID。参数 max_dest 代表最大的存储空间,参数 dest 用于存储返回数据。返回数据可以包括如下内容:从站 ID状态值(0x00= OFF状态, 0xFF=ON状态) 以及其他附加信息，具体的各参数意义由开发者指定。

用法举例:

uint8_t tab_bytes[MODBUS_MAX_PDU_LENGTH];

...

rc =modbus_report_slave_id(ctx, MODBUS_MAX_PDU_LENGTH, tab_bytes);

if (rc>1)
{
  printf("Run Status Indicator: %s\n",tab_bytes[1] ?"ON":"OFF");
}

2.4.3 数据处理的相关函数或宏定义

在libmodbus开发库中，为了方便数据处理在 modbus.h 文件中定义了一系列数据处理宏。

例如获取数据的高低字节序宏定义：

#define MODBUS_GET_HIGH_BYTE (data) (((data) >>8) & 0xFF)
#define MODBUS_GET_LOW_BYTE (data) ((data) & 0xFF)

对于浮点数等多字节数据而言,由于存在字节序与大小端处理等的问题，所以辅助定义了一些特殊函数:

MODBUS_API float modbus_get_float (const uint16_t * src);

MODBUS_API float modbus_get_float_abcd (const uint16_t * src);

MODBUS_API float modbus_get_float_dcba (const uint16_t * src);

MODBUS_API float modbus_get_float_badc (const uint16_t * src);

MODBUS_API float modbus_get_float_cdab (const uint16_t * src);

MODBUS_API void modbus_set_float (float f,uint16_t * dest);

MODBUS_API void modbus_set_float_abcd (float f,uint16_t * dest);

MODBUS_API void modbus_set_float_dcba (float f,uint16_t * dest);

MODBUS_API void modbus_set_float_badc (float f,uint16_t * dest);

MODBUS_API void modbus_set_float_cdab (float f,uint16_t * dest);

当然,可以参照 float 类型的处理方法,继续定义其他多字节类型的数据例如int32_t、uint32_t、 int64_t、uint64_t 以及 double 类型的读写函数。

2.5 RTU/TCP关联接口函数

在文件 modbus.h 的最后位置,有如下语句

#include “modbus-tcp.h”

#include “modbus-rtu.h”

可以发现,除了 modbus.h 包含的接口函数之外，modbus-rtu.h 和 modbus-tcp.h 也包含了必要的接口函数。

2.5.1 RTU模式关联函数

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

此函数的功能是创建一个 RTU 类型的 modbus_t 结构体。参数 const char * device 代表串口字符串，在 Windows 操作系统下形态如 “COMx” ，有一点需要注意的是，对于串口1串口9来说,，传递 “COM1”“COM9” 可以成功，但是如果操作对象为 COM10及以上端口，则会出现错误。

产生这种奇怪现象的原因是:微软预定义的标准设备中含有 “COM1”~“COM9” 。所以，“COM1”~“COM9” 作为文件名传递给函数时操作系统会自动地将之解析为相应的设备。但对于 COM10 及以上的串口，“COM10” 之类的文件名系统只视之为一般意义上的文件,而非串行设备。为了增加对 COM10 及以上串行端口的支持,微软规定,如果要访问这样的设备,应使用这样的文件名(以COM10 为例):\\.\ COM10。

所以,使用时在代码中可以如此定义:.

const char * device = “\\.\COM10”;

在Linux操作系统下可以使用”/dev/ttySo”或”/dev/ttyUSB0”等形式的字符串来表示。而参数 int baud 表示串口波特率的设置值，例如:9600、19200、57600、115200等。

参数char parity 表示奇偶校验位，取值范围：

‘N’:无奇偶校验；
‘E’:偶校验；
‘O’:奇校验。

参数 int data_bit 表示数据位的长度,取值范围为 5、6、7和8。

参数int stop_bit 表示停止位长度，取值范围为1或2。

用法举例:

modbus t *ctx;

ctx=modbus_new_rtu("\\\\.\\COM10",115200,'N',8,1);

if (ctx ==NULL)
{
  fprintf(stderr,"Unable to create the libmodbus context\n");
  return -1;
}

modbus_set_slave(ctx,SLAVE_DEVICE_ID);

if (modbus connect(ctx)==-1)
{
  fprintf(stderr,"Connection failed:%s\n",modbus_strerror(errno));
  modbus_free(ctx);
  return -1;
}

MODBUS_API int modbus_rtu_set_serial_mode (modbus_t * ctx, int mode)：

该函数用于设置串口为 MODBUS RTU RS232或MODBUSRTU_RS485模式,此函数只适用于 Linux 操作系统下。

MODBUS_API int modbus_rtu_set_rts (modbus_t * ctx, int mode)。

MODBUS_API int modbus_rtu_set_custom_rts (modbus_t * ctx, void ( * set_rts) (modbus_t * ctx, int on))。

MODBUS_API int modbus_rtu_set_rts_delay (modbus_t * ctx, int us)。

以上函数只适用于 Linux 操作系统下,RTS 即Request ToSend 的缩写，具体的意义可通过网络搜索，一般情况下，此类函数可忽略。

2.5.2 TCP模式关联函数

MODBUS_API modbus_t * modbus_new_tcp (const char *ip_address, int port)。

此函数的功能是创建一个TCP/IPv4 类型的modbus_t 结构体。

参数 const char * ip_address 为IP地址,port 表示远端设备的端口号。

MODBUS_API int modbus_tcp_listen (modbus_t * ctx, int nb_connection)。

此函数创建并监听一个 TCP/IPv4 上的套接字。

参数int nb_connection 代表最大的监听数量,在调用此函数之前，必须首先调用modbus_new_tcp() 创建modbus_t结构体。

MODBUS_API int modbus_tcp_accept (modbus_t * ctx，int * s)。

此函数接收一个 TCP/IPv4 类型的连接请求,如果成功将进入数据接收状态。

三、libmodbus移植与使用

3.1 移植方法

以串口为例，libmodbus支持了windows系统、Linux系统。如果要在Freertos或者裸机上使用libmodbus，需要移植libmodbus里操作硬件的代码。

根据下图的层次，要移植libmodbus的“后端”，就是构造自己的modbus_backend_t结构体：

在这里插入图片描述

后端modbus_backend_t结构体的成员含义如下：

成员	含义
unsigned int backend_type;	后端类型，是RTU还是TCP
unsigned int header_length;	头部长度，比如RTU数据包前面需要有1字节的设备地址，头部长度就是1
unsigned int checksum_length;	校验码长度，RTU的校验码是2字节
unsigned int max_adu_length;	ADU（数据包）最大长度
set_slave	设置从站地址
build_request_basis	设置RTU请求包的基本数据，这些数据的格式是一样的，比如req[0]是从设备地址，req[1]是功能码，req[2]和req[3]是寄存器地址，req[4]和req[5]是寄存器数量
build_response_basis	设置RTU回应包的基本数据，这些数据的格式是一样的，比如req[0]是从设备地址，req[1]是功能码
prepare_response_tid	生产传输标识TID，在TCP中使用
send_msg_pre	发送消息前的准备工作，对于RTU是填充CRC检验码，对于TCP是填充头部的Length
send	发送数据包
receive	接收数据包
recv	接收原始数据，receive会调用recv得到原始数据然后解析出数据包
check_integrity	检查数据包的完整性
pre_check_confirmation	检查响应数据包是否有效时，先执行pre_check_confirmation做一些简单的检查
connect	硬件相关的连接，对于RTU就是打开串口、设置串口波特率等；对于TCP则是连接对端
is_connected	判断是否已经连接
close	关闭连接
flush	清空接收到的、未处理的数据
select	阻塞一段时间以等待数据
free	释放分配的modbus_t等结构体

打开 backend 结构体所在 .c 文件的目录位置，复制该文件并修改名字为 modbus-st-rtu.c：
在这里插入图片描述
将其添加到 source insight 工程中，修改其中代码。
我们是要在 Freertos 或者裸机上使用 libmodbus ，所以不会用到 linux 相关代码，将其删除：

将与 win32 相关代码删除：

在这里插入图片描述

3.2 使用USB串口作为后端

基于这2个程序：

在这里插入图片描述

第1步：合并上述2个源码，并修改到能编译成功（但是libmodbus里对USB串口的操作），结果放在如下目录：

在这里插入图片描述

第2步，继续修改上图的代码，实现USB串口作为后端，得到以下代码：

在这里插入图片描述

USB串口的操作函数：

/* 发送数据 */

int ux_device_cdc_acm_send(uint8_t *datas, uint32_t len, uint32_t timeout);

/* 接收数据 */

int ux_device_cdc_acm_getchar(uint8_t *pData, uint32_t timeout);

3.3 libmodbus从机实验(USB串口)

本节源码为：
在这里插入图片描述

参考“libmodbus-3.1.10\tests\unit-test-server.c”，把开发板当做从机，使用PC上Modbus Poll软件读写开发板：控制LED。

要点：

① printf、fprintf、vfprintf都不能使用，改成空的宏

② p_tv 不能成为空指针

仿照下图流程编写代码：

在这里插入图片描述

app_freertos.c

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os2.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
#include "draw.h"
#include "stdio.h"
#include "draw.h"
#include "ux_api.h"
#include "modbus.h"
#include "errno.h"

static void LibmodbusServerTask( void *pvParameters )	
{
	uint8_t *query;
	modbus_t *ctx;											//创建一个modbus结构体
	int rc;
	modbus_mapping_t *mb_mapping;

	/* modbus_new_st_rtu 函数需要在 modbus.h 中进行声明 */
	ctx = modbus_new_st_rtu("usb", 115200, 'N', 8, 1);		//设置串口相关参数
	modbus_set_slave(ctx, 1);								//设置地址为1
	query = pvPortMalloc(MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH);		//分配空间，后续会调用modbus_receive来获得主机发过来请求，query相当于是一个查询报文


	/*
    mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(UT_BITS_ADDRESS,
                                                  UT_BITS_NB,
                                                  UT_INPUT_BITS_ADDRESS,
                                                  UT_INPUT_BITS_NB,
                                                  UT_REGISTERS_ADDRESS,
                                                  UT_REGISTERS_NB_MAX,
                                                  UT_INPUT_REGISTERS_ADDRESS,
                                                  UT_INPUT_REGISTERS_NB);
                                                  */	
	mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(0,		//可读可写bit起始地址				
												  10,		//个数
												  0,		//只读bit起始地址
												  10,		//个数
												  0,		//可读可写寄存器起始地址
												  10,		//个数
												  0,		//只读寄存器起始地址
												  10);		//个数

	memset(mb_mapping->tab_bits, 0, mb_mapping->nb_bits);					//内存块初始化函数（可读可写字节） 将tab_bits中的nb_bits个字节设置为0
	memset(mb_mapping->tab_registers, 0x55, mb_mapping->nb_registers * 2);	//内存块初始化函数（可读可写寄存器，注意每个寄存器对应两个字节，所以是0x5555，需要*2，对应十进制是21845） 将tab_registers中的nb_registers * 2个字节设置为0x55

	rc = modbus_connect(ctx);
	if (rc == -1) {
		//fprintf(stderr, "Unable to connect %s\n", modbus_strerror(errno));
		modbus_free(ctx);
		vTaskDelete(NULL);
	}

	for (;;) {
		do {
			rc = modbus_receive(ctx, query);	//调试时发现没现象 跳过去此函数的编写 找到modbus.c的387行
			/* Filtered queries return 0 */
		} while (rc == 0);

		/* The connection is not closed on errors which require on reply such as
		   bad CRC in RTU. */
		if (rc == -1 && errno != EMBBADCRC) {
			/* Quit */
			continue;
		}

		rc = modbus_reply(ctx, query, rc, mb_mapping);
		if (rc == -1) {
			//break;
		}
		if (mb_mapping->tab_bits[0])//tab_bits的第1位如果非0就点灯
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
	}
	
	modbus_mapping_free(mb_mapping);
	vPortFree(query);
	/* For RTU */
	modbus_close(ctx);
	modbus_free(ctx);

	vTaskDelete(NULL);	//这里原本是return 0；但作为任务函数不能直接返回，结束后需要自杀
}

xTaskCreate(
	LibmodbusServerTask, 
	"LibmodbusServerTask", 
	200, 
	NULL, 
	osPriorityNormal, 
	NULL);

modbus.c

if (msg_type == MSG_INDICATION) {
    /* Wait for a message, we don't know when the message will be
     * received */
    if (ctx->indication_timeout.tv_sec == 0 && ctx->indication_timeout.tv_usec == 0) {
        /* By default, the indication timeout isn't set */
        //p_tv = NULL;
        tv.tv_sec = 0;	//主要修改位置在此，尽管sec或usec为0，但不能让p_tv成为空指针
        tv.tv_usec = 0;
        p_tv = &tv;
    } else {
        /* Wait for an indication (name of a received request by a server, see schema)
         */
        tv.tv_sec = ctx->indication_timeout.tv_sec;
        tv.tv_usec = ctx->indication_timeout.tv_usec;
        p_tv = &tv;
    }
} else {
    tv.tv_sec = ctx->response_timeout.tv_sec;
    tv.tv_usec = ctx->response_timeout.tv_usec;
    p_tv = &tv;
}

modbus.h

#define debug_printf(...)
#define debug_fprintf(...)

打开 Modbus Poll 软件，进行相关配置：
在这里插入图片描述
成功读取数据：

再开启另一个窗口，进行如下配置：

配置成功后如下，点击第一个数据进行改写，可以看到板子上的led出现现象：

3.4 libmodbus主机实验(USB串口)

本节源码为：

在这里插入图片描述

参考“libmodbus-3.1.10\tests\unit-test-client.c”，把开发板当做主机，去读写PC上Modbus Slave软件模拟的从机。

仿照下图流程编写代码

在这里插入图片描述
主机先读取寄存器1中的数据，读取完毕后将数据+1并写入到寄存器2，同时将新数据显示在lcd上。

app_freertos.c

static void LibmodbusClientTask( void *pvParameters )	
{
	modbus_t *ctx;											//创建一个modbus结构体
	int rc;
	uint16_t val;
	int nb = 1;

	ctx = modbus_new_st_rtu("usb", 115200, 'N', 8, 1);		//设置串口相关参数
	modbus_set_slave(ctx, 1);								//设置地址为1

	rc = modbus_connect(ctx);
	if (rc == -1) {
		//fprintf(stderr, "Unable to connect %s\n", modbus_strerror(errno));
		modbus_free(ctx);
		vTaskDelete(NULL);
	}

	for (;;) {
		/* read holding register 1 */
		rc = modbus_read_registers(ctx, 1, 1, &val);
		if(rc != nb)
			continue;
		
		/* display on led */
		Draw_Number(0, 0, val, 0xffff00);

		/* val++ */
		val++;

		/* write val to  holding register 2 */
		rc = modbus_write_registers(ctx, 2, 1, &val);
	}

	/* For RTU */
	modbus_close(ctx);
	modbus_free(ctx);

	vTaskDelete(NULL);//这里原本是return 0；但作为任务函数不能直接返回，结束后需要自杀
}

#if 0
	xTaskCreate(
		LibmodbusServerTask, 
		"LibmodbusServerTask", 
		200, 
		NULL, 
		osPriorityNormal, 
		NULL); 
#else
	xTaskCreate(
		LibmodbusClientTask, 
		"LibmodbusClientTask", 
		200, 
		NULL, 
		osPriorityNormal, 
		NULL);
#endif

打开 Modbus Slave 软件，进行相关配置：
在这里插入图片描述

3.5 使用板载串口作为后端

本节代码如下：

在这里插入图片描述

按照下图连线：调试、供电、两个485互连，使用CH1（左边的RS485接口）作为主设备，访问CH2（右边的RS485接口）：

在这里插入图片描述

3.5.1 使用UART_Device

把UART2、UART4的发送、接收功能都补全了，并且构造了对应的UART_Device结构体，里面实现了初始化、发送、接收一个自己的的函数，如下：

把UART2、UART4封装为UART_Device的代码为：UART\uart_rtos_all_ok.7z。需要把它的代码移植到本节的工程里：

使用STM32CubeMX配置UART2、UART4：发送、接收都使用DMA
复制代码：Core\Src\usart.c、Drivers\Module_driver\uart_device.c/h

使用STM32CubeMX配置的过程如下：

使能DMA通道：

在这里插入图片描述

各个DMA通道的配置如下：

在这里插入图片描述

3.5.2 用作后端

把UART2、UART4用作libmodbus后端时，只需要修改这几个函数即可：

在这里插入图片描述

有两个UART_Device，调用哪个UART_Device？在使用“modbus_new_st_rtu”创建modbus_t时，根据传入的设备名在modbus_t结构体里记录对应的UART_Device。_modbus_rtu_connect、_modbus_rtu_send、_modbus_rtu_recv这三个函数，就可以直接调用modbus_t结构体里的UART_Device函数了。
移植代码时，以下部分代码需要注意，解释如下：
在这里插入图片描述

modbus_rtu_send 函数代码如下：

static ssize_t _modbus_rtu_send(modbus_t *ctx, const uint8_t *req, int req_length)
{
	/* 使用usb/UART2/UART4的UART_Device来发送数据 */
	/* 取出记录在ctx_rtu结构体中的dev来发送数据 */
	modbus_rtu_t *ctx_rtu = ctx->backend_data;
	struct UART_Device *pdev = ctx_rtu->dev;
	if (0 == pdev->Send(pdev, (uint8_t *)req, req_length, TIMEROUT_SEND_MSG))
		return req_length;
	else
	{
		errno = EIO;
		return -1;	
	}
	return 0;
}

_modbus_rtu_recv 函数代码如下：

	/* 使用usb/UART2/UART4的UART_Device来接收数据 */
	modbus_rtu_t *ctx_rtu = ctx->backend_data;
	struct UART_Device *pdev = ctx_rtu->dev;

	if (0 == pdev->RecvByte(pdev, rsp, timeout))
		return 1;
	else
	{
		errno = EIO;
		return -1;
	}

接下来仿照原来UART2、UART4的多个函数结构体写一个USB结构体：
UART2、UART4结构体及相关函数如下（usart.c）：

int UART2_GetData(struct UART_Device *pdev, uint8_t *pData, int timeout)
{
	if (pdPASS == xQueueReceive(g_xUART2_RX_Queue, pData, timeout))
		return 0;
	else
		return -1;
}

int UART2_Rx_Start(struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit)
{
	if (!g_xUART2_RX_Queue)
	{
		g_xUART2_RX_Queue = xQueueCreate(200, 1);
		g_UART2_TX_Semaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
		
		HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, g_uart2_rx_buf, 100);
	}
	return 0;
}

int UART2_Send(struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas, uint32_t len, int timeout)
{
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2, datas, len);
	
	if (pdTRUE == xSemaphoreTake(g_UART2_TX_Semaphore, timeout))
		return 0;
	else
		return -1;
}

int UART4_GetData(struct UART_Device *pDev, uint8_t *pData, int timeout)
{
	if (pdPASS == xQueueReceive(g_xUART4_RX_Queue, pData, timeout))
		return 0;
	else
		return -1;
}

int UART4_Rx_Start(struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit)
{
	if (!g_xUART4_RX_Queue)
	{
		g_xUART4_RX_Queue = xQueueCreate(200, 1);
		g_UART4_TX_Semaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
		
		HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);
	}
	return 0;
}

int UART4_Send(struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas, uint32_t len, int timeout)
{
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart4, datas, len);
	
	if (pdTRUE == xSemaphoreTake(g_UART4_TX_Semaphore, timeout))
		return 0;
	else
		return -1;
}

int UART2_Flush(struct UART_Device *pDev)
{
	int cnt = 0;
	uint8_t data;
	while (1)
	{
		if (pdPASS != xQueueReceive(g_xUART2_RX_Queue, &data, 0))
			break;
		cnt++;
	}
	return cnt;
}

int UART4_Flush(struct UART_Device *pDev)
{
	int cnt = 0;
	uint8_t data;
	while (1)
	{
		if (pdPASS != xQueueReceive(g_xUART4_RX_Queue, &data, 0))
			break;
		cnt++;
	}
	return cnt;
}

struct UART_Device g_uart2_dev = {"uart2", UART2_Rx_Start, UART2_Send, UART2_GetData, UART2_Flush};
struct UART_Device g_uart4_dev = {"uart4", UART4_Rx_Start, UART4_Send, UART4_GetData, UART4_Flush};

USB结构体及相关函数如下（ux_device_cdc_acm.c）：

static int USBSerial_Init(struct UART_Device *pDev, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit)
{
	return 0;
}

static int USBSerial_Send(struct UART_Device *pDev, uint8_t *datas, uint32_t len, int timeout)
{
	return ux_device_cdc_acm_send(datas, len, timeout);
}

static int USBSerial_GetData(struct UART_Device *pdev, uint8_t *pData, int timeout)
{
	return ux_device_cdc_acm_getchar(pData, timeout);
}

static int USBSerial_Flush(struct UART_Device *pdev)
{
	return ux_device_cdc_acm_flush();
}

struct UART_Device g_usbserial_dev = {"usb", USBSerial_Init, USBSerial_Send, USBSerial_GetData, USBSerial_Flush};

在ux_device.c中进行声明：

extern struct UART_Device g_uart2_dev;
extern struct UART_Device g_uart4_dev;
extern struct UART_Device g_usbserial_dev;

static struct UART_Device *g_uart_devices[] = {&g_uart2_dev, &g_uart4_dev, &g_usbserial_dev};

_modbus_rtu_connect函数如下：

static int _modbus_rtu_connect(modbus_t *ctx)
{
	/* 使用usb/UART2/UART4的UART_Device来初始化设备 */
    modbus_rtu_t *ctx_rtu = ctx->backend_data;
	struct UART_Device *pdev = ctx_rtu->dev;

	pdev->Init(pdev, ctx_rtu->baud, ctx_rtu->parity, ctx_rtu->data_bit, ctx_rtu->stop_bit);
	
    ctx->s = 1; //open(ctx_rtu->device, flags);
    return 0;
}

_modbus_rtu_flush函数如下：

static int _modbus_rtu_flush(modbus_t *ctx)
{
	/* 使用usb/UART2/UART4的UART_Device来flush数据 */
    modbus_rtu_t *ctx_rtu = ctx->backend_data;
	struct UART_Device *pdev = ctx_rtu->dev;

	return pdev->Flush(pdev);
}

3.6 libmodbus实验(板载串口)

本节源码为：

在这里插入图片描述

按照下图连线：调试、供电、两个485互连：

在这里插入图片描述

创建一个ServerTask，使用CH2（右边的RS485接口，对应UART4）对外通信。

创建一个ClientTask，使用CH1（左边的RS485接口，对应UART2）读写从设备数据。

app_freertos.c

static void CH2_UART4_ServerTask( void *pvParameters )	
{
	uint8_t *query;
	modbus_t *ctx;
	int rc;
	modbus_mapping_t *mb_mapping;
	
	ctx = modbus_new_st_rtu("uart4", 115200, 'N', 8, 1);
	modbus_set_slave(ctx, 1);
	query = pvPortMalloc(MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH);

	mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(0,
												  10,
												  0,
												  10,
												  0,
												  10,
												  0,
												  10);
	
	memset(mb_mapping->tab_bits, 0, mb_mapping->nb_bits);
	memset(mb_mapping->tab_registers, 0x55, mb_mapping->nb_registers*2);

	rc = modbus_connect(ctx);
	if (rc == -1) {
		//fprintf(stderr, "Unable to connect %s\n", modbus_strerror(errno));
		modbus_free(ctx);
		vTaskDelete(NULL);;
	}

	for (;;) {
		do {
			rc = modbus_receive(ctx, query);
			/* Filtered queries return 0 */
		} while (rc == 0);
 
		/* The connection is not closed on errors which require on reply such as
		   bad CRC in RTU. */
		if (rc == -1 && errno != EMBBADCRC) {
			/* Quit */
			continue;
		}

		rc = modbus_reply(ctx, query, rc, mb_mapping);
		if (rc == -1) {
			//break;
		}

		if (mb_mapping->tab_bits[0])
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);

		vTaskDelay(1000);
		mb_mapping->tab_registers[1]++;		//将第一个寄存器的数值从0x55开始自增
	}

	modbus_mapping_free(mb_mapping);
	vPortFree(query);
	/* For RTU */
	modbus_close(ctx);
	modbus_free(ctx);

	vTaskDelete(NULL);
}

static void CH1_UART2_ClientTask( void *pvParameters )	
{
	modbus_t *ctx;
	int rc;
	uint16_t val;
	int nb = 1;
	int level = 1;
	
	ctx = modbus_new_st_rtu("uart2", 115200, 'N', 8, 1);
	modbus_set_slave(ctx, 1);
	
	rc = modbus_connect(ctx);
	if (rc == -1) {
		//fprintf(stderr, "Unable to connect %s\n", modbus_strerror(errno));
		modbus_free(ctx);
		vTaskDelete(NULL);;
	}

	for (;;) {
		/* read hoding register 1 */
		rc = modbus_read_registers(ctx, 1, nb, &val);
		if (rc != nb)
			continue;

		/* display on lcd */
		Draw_Number(0, 0, val, 0xff0000);

		/* delay 2s */
		vTaskDelay(2000);	
		modbus_write_bit(ctx, 0, level);	//对应上面的server任务，在上面任务中设置了第0位对led灯进行操作，所以在这里读取到数据后去设置第0位的数值
		level =! level;						//lever取反，即灯会闪烁
	}

	/* For RTU */
	modbus_close(ctx);
	modbus_free(ctx);	

	vTaskDelete(NULL);
}

xTaskCreate(
	CH1_UART2_ClientTask, 
	"CH1_UART2_ClientTask", 
	200, 
	NULL, 
	osPriorityNormal, 
	NULL); 
	
xTaskCreate(
	CH2_UART4_ServerTask,
	"CH2_UART4_ServerTask", 
	200, 
	NULL, 
	osPriorityNormal, 
	NULL);