Qt C++实战：Modbus RTU协议详解及主站实现

文章目录

一 Modbus RTU 协议1.1 Modbus 协议分类及通信过程1.2 Modbus-RTU 协议数据帧格式
二 Modbus RTU 主站上位机2.1 界面设计2.2 编码实现2.2.1 串口操作2.2.2 从站操作2.2.3 信息显示
2.3 测试
其他


Modbus 总线协议属于应用层协议，是一种常见的工业系统通讯协议，被广泛应用于工业领域。本篇将对
Modbus RTU 协议进行详细介绍，并实现一个基于Qt的
Modbus RTU 主站上位机。

一 Modbus RTU 协议

1.1 Modbus 协议分类及通信过程


Modbus 协议分为三类，包括：
Modbus-RTU，
Modbus-ASCII和
Modbus-TCP。


Modbus 是主从方式通信，通信由主机发起，一问一答式，从机无法主动向主机发送数据。

《GB/T 19582.2》中规定：RTU 模式中每个字节为11位，格式为：8bit数据位（先发地位）、1bit起始位、1bit奇偶校验、1bit停止位。默认使用偶校验，也可以使用其他模式（奇校验、无校验）。使用无校验时要求2个停止位，以此来满足11bit的数据。

发送字符或字节的顺序为从左到右，如下图所示：

通过配置，设备可以接受奇校验，偶校验或无校验，如果无校验，那么传送一个附加的停止位来填充字符帧使其成为完整的11位异步字符，如下图所示：

1.2 Modbus-RTU 协议数据帧格式


Modbus-RTU 帧最大长度为256字节，帧描述如下：

地址码：1个字节的从机地址码。0：广播地址；1-247：从机地址；248-255：保留；

功能码：常用的就是01、02、03、04、05、06、15和16，具体描述见下表；

数据区：数据区包括起始地址、数量和数据，这三项均是大端模式；

CRC校验：两个字节，小端模式，校验的数据范围为：地址码+功能码+数据区。

功能码的具体描述见下表：

QModbusDataUnit 是 Qt Modbus 模块中的一个核心类，用于表示Modbus协议中一次读写操作所涉及的数据单元。如下表所示：

二 Modbus RTU 主站上位机

2.1 界面设计

基于 Qt 设计上位机界面，包括通信方式选择，串口配置，读写配置，设备参数设置，发送/接收数据展示，发送数据和接收数据。具体界面设置如下图所示：

2.2 编码实现

上位机软件主要功能包括串口操作、从站操作以及信息显示三个部分。

2.2.1 串口操作

首先将通信方式设置为
Serial Port，然后配置串口参数，包括串口号、波特率、数据位、校验位、停止位、超时时间和重复次数。其中，串口号通过自动搜索获取当前可用的串口，实现方式如下：

foreach(const QSerialPortInfo& info, QSerialPortInfo::availablePorts())
{
  ui->comboBoxPort->addItem(info.portName());
}

串口操作主要是打开串口和关闭串口，具体实现如下：

void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
  if(m_stop){
    if (modbusDevice)
    {
      modbusDevice->disconnectDevice();
      delete modbusDevice;
      modbusDevice = nullptr;
    }

    int index = ui->cboxConnectType->currentIndex();
    if(0 == index){
      modbusDevice = new QModbusRtuSerialMaster(this);
      //配置串口参数
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialPortNameParameter,ui->comboBoxPort->currentText());
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialParityParameter,ui->comboBoxParity->currentIndex());
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialBaudRateParameter,ui->comboBoxBaud->currentText().toInt());
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialDataBitsParameter,ui->comboBoxData->currentText().toInt());
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialStopBitsParameter,ui->comboBoxStop->currentText().toInt());
      modbusDevice->setTimeout(ui->leditOTime->text().toInt());          // 配置请求超时时间
      modbusDevice->setNumberOfRetries(ui->leditRTimes->text().toInt());     // 配置失败重试次数
    }else{
      modbusDevice = new QModbusTcpClient(this);
      //配置modbus tcp的连接参数 IP+Port modbus协议的端口号为502
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::NetworkAddressParameter, ui->leditIP->text());
      modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::NetworkPortParameter, ui->leditPort->text().toInt());
    }
    connect(modbusDevice, &QModbusClient::errorOccurred, [this](QModbusDevice::Error) {
      qDebug() << "modbus Error:" << modbusDevice->errorString();
    });

    if(!modbusDevice->connectDevice())
    {
      qDebug()<<tr("Connect failed: %1").arg(modbusDevice->errorString());
    }
    else
    {
      qDebug() << "Modbus open Success!";
      ui->comboBoxPort->setEnabled(false);
      ui->comboBoxParity->setEnabled(false);
      ui->comboBoxBaud->setEnabled(false);
      ui->comboBoxData->setEnabled(false);
      ui->comboBoxStop->setEnabled(false);
      ui->leditOTime->setEnabled(false);
      ui->leditRTimes->setEnabled(false);
      ui->cboxConnectType->setEnabled(false);
      ui->leditIP->setEnabled(false);
      ui->leditPort->setEnabled(false);
      m_stop = false;
      ui->pushButton->setText(QStringLiteral("关闭串口"));
    }
  }else{
    if (!modbusDevice)
      return;
    modbusDevice->disconnectDevice();
    delete modbusDevice;
    modbusDevice = nullptr;

    qDebug() << "Modbus close Success!";
    ui->comboBoxPort->setEnabled(true);
    ui->comboBoxParity->setEnabled(true);
    ui->comboBoxBaud->setEnabled(true);
    ui->comboBoxData->setEnabled(true);
    ui->comboBoxStop->setEnabled(true);
    ui->leditOTime->setEnabled(true);
    ui->leditRTimes->setEnabled(true);
    ui->cboxConnectType->setEnabled(true);
    ui->leditIP->setEnabled(true);
    ui->leditPort->setEnabled(true);
    m_stop = true;
    ui->pushButton->setText(QStringLiteral("打开串口"));
  }
}

2.2.2 从站操作

首先配置从站读写数据类型，从站设备ID和地址，读取数据是还需要配置读取数据的个数。然后对从站进行读取和写入数据操作，实现代码如下：

  //写入从站数据
  //获取要写入的寄存器数据
  QList<quint16> values;
  QStringList values_list = ui->leditSendInfo->text().split(" ");
  for(int i = 0 ; i < values_list.size(); i++)
  {
    values.append(values_list.at(i).toUInt());
  }
  int id = ui->leditID->text().toInt(); //设备地址
  int addr = ui->leditAddr->text().toInt(); //寄存器地址

  //组合写数据帧  table写入的数据类型 寄存器或线圈
  const auto table =
      static_cast<QModbusDataUnit::RegisterType> (ui->comboBoxValueType->currentData().toInt());
  QModbusDataUnit writeUnit = QModbusDataUnit(table,
                                              addr, values.size());
  for(int i=0; i<values.size(); i++)
  {
    writeUnit.setValue(i, values.at(i));
  }

  //id 发生给slave的ID
  if (auto *reply = modbusDevice->sendWriteRequest(writeUnit,id))
  {
    //对reply处理
    //......
  }

  //读取从站数据
  //获取设备信息
  int id = ui->leditID->text().toInt(); //设备地址
  int addr = ui->leditAddr->text().toInt(); //寄存器地址
  int readNum = ui->leditCount->text().toInt(); //读取寄存器个数

  //组合写数据帧  table写入的数据类型 寄存器或线圈
  const auto table =
      static_cast<QModbusDataUnit::RegisterType> (ui->comboBoxValueType->currentData().toInt());

  QModbusDataUnit readUint = QModbusDataUnit(table,
                                             addr, readNum);
  //读取数据
  if (auto *reply = modbusDevice->sendReadRequest(readUint, id))
  {
    if (!reply->isFinished())
      connect(reply, &QModbusReply::finished, this, &MainWindow::readReady);
    else
      delete reply;
  }
  else
  {
    qDebug() << "Read error: " << modbusDevice->errorString();
  }

2.2.3 信息显示

信息显示主要包括两方面，一是主站发送给从站的报文信息，二是读取回来的从站数据结果信息。实现代码如下：

    //发送报文信息
    QString timeStrLine="["+QDateTime::currentDateTime().toString("yyyy-MM-dd hh:mm:ss")+"][发送]: ";
    QString context = timeStrLine+ui->leditSendInfo->text()+"

";
    QString content = "<span style=" color:red;">"+context+"</span>";
    ui->textBrowser->append(content);

      // 结果数据信息
      QString send_buff;
      for (uint i = 0; i < unit.valueCount(); i++)
      {
        const QString entry = tr("Address: %1, Value: %2").arg(unit.startAddress() + i)
            .arg(QString::number(unit.value(i),
                                 unit.registerType() <= QModbusDataUnit::Coils ? 10 : 10));
        send_buff.append(QString::number(unit.value(i),
                                         unit.registerType() <= QModbusDataUnit::Coils ? 10 : 10) + " ");
      }
      //读取的数据
      ui->leditData->insert(send_buff);
      QString timeStrLine="["+QDateTime::currentDateTime().toString("yyyy-MM-dd hh:mm:ss")+"][接收]: ";
      QString context = timeStrLine+send_buff+"

";
      QString content = "<span style=" color:blue;">"+context+"</span>";
      ui->textBrowser_2->append(content);

2.3 测试

上位机软件编码调试后，需要对其进行一些测试。首先安装虚拟串口软件用于虚拟测试用的串口，然后准备一款
Modbus RTU 的从站模拟软件。虚拟串口软件的配置如下图所示：


Modbus RTU 从站模拟软件使用
modbusslavep。运行
Modbus RTU 主站上位机软件，测试读写从站数据操作，测试结果如下所示：

其他

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