helper2416_modbus_主从机测试_支持TCP/RTU

lyzhangxiang

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Modbus是一种串行通信协议,是Modicon于1979年为使用可编程逻辑控制器PLC而发表的.
MODBUS是工业领域通信协议的业界标准,并且现在是工业电子设备之间相当常用的连接方式.

Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有:
      1)公开发表并且无版税要求
      2)相对容易的工业网络部署
      3)对供应商来说,修改移动原生的位元或字节没有很多限制

Modbus允许多个设备连接在同一个网络上进行通信,举个例子,一个由测量温度和湿度的装置,并且将结果发送给计算机.
在数据采集与监视控制系统SCADA中,Modbus通常用来连接监控计算机和remote terminal unit (RTU).
细节可以参考wiki百科或相关资料，总的来讲modbus是一个非常靠谱的工业上大量使用的应用层通讯协议，能够让各个厂家的设备能够通讯，只要被支持就可以了。

一、协议版本
Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本.大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行.

对于串行连接,存在两个变种,它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同.Modbus RTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式.
Modbus ASCII是一种人类可读的,冗长的表示方式.这两个变种都使用串行通讯serial communication方式.
RTU格式后续的命令／数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和.
被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信,反之亦然。


对于通过TCP/IP的连接,存在多个Modbus/TCP变种,这种方式不需要校验和的计算.
对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的,只有封装方式是不同的.

Modbus有一个扩展版本Modbus Plus(Modbus+或者MB+),不过此协定是Modicon专有的和Modbus不同.
它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转,它使用1Mbit/s的双绞线,并且每个节点都有转换隔离装置,是一种采用转换／边缘触发而不是电压／水平触发的装置.
连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口,通常是支持ISA,PCI或者PCMCIA总线的板卡.

二、通信和设备
Modbus协议是一个master/slave架构的协议,有一个节点是master节点,其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点.
每一个slave设备都有一个唯一的地址,在串行和MB+网络中,只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令.
在以太网上,任何一个设备都能发送一个Modbus命令,但是通常也只有一个主节点设备启动指令.

一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址,所有设备都会收到命令,但只有指定位置的设备会执行及回应指令.
地址0例外,指定地址0的指令是广播指令,所有收到指令的设备都会执行,不过不回应指令.
所有的Modbus命令包含了检查码,以确定到达的命令没有被破坏.
基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值,控制或者读取一个I/O端口,以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据.
有许多modems和网关支持Modbus协议,因为Modbus协议很简单而且容易复制.它们当中一些为这个协议特别设计的.
有使用有线、无线通信甚至短消息和GPRS的不同实现,不过设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题.

相关说明，图片形式，下面会有用的，直观一点吧：

modbus栈结构


modbus帧，这个好好看看，下面调试会用到


典型的cs结构


公共功能码


三、libmodbus库安装

1、下载源码包libmodbus-3.0.6.tar.gz
http://libmodbus.org/download/


2、libmodbus移植
1)交叉编译--prefix参数
嵌入式开发板:

1. # ./configure --build=i686 --host=arm-linux --enable-static --prefix=$(pwd)/libmodbus-install
   
2.         # make
   
3.         # make install

复制代码

2)如果在嵌入式开发板上运行类似unit-test-xxx测试程序时,首先要测试tcp的就要修改两个文件中的IP地址,默认是回环测试的
其次要测试rtu的就要修改两个文件中的串口设备文件名,嵌入式开发板上一般是ttySx,我们的板子是ttySACx

如下位置:

unit-test-server.c

1. 
   
2.         if (use_backend == TCP) {  
   
3.                 ctx = modbus_new_tcp("192.168.1.200", 1502);  
   
4.                 query = malloc(MODBUS_TCP_MAX_ADU_LENGTH);  
   
5.         } else if (use_backend == TCP_PI) {  
   
6.                 ctx = modbus_new_tcp_pi("::0", "1502");  
   
7.                 query = malloc(MODBUS_TCP_MAX_ADU_LENGTH);  
   
8.         } else {  
   
9.                 ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttySAC1", 115200, 'N', 8, 1);  
   
10.                 modbus_set_slave(ctx, SERVER_ID);  
    
11.                 query = malloc(MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH);  
    
12.         }

复制代码

unit-test-client.c

1. if (use_backend == TCP) {  
   
2.                 ctx = modbus_new_tcp("192.168.1.200", 1502);  
   
3.         } else if (use_backend == TCP_PI) {  
   
4.                 ctx = modbus_new_tcp_pi("::1", "1502");  
   
5.         } else {  
   
6.                 ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttySAC1", 115200, 'N', 8, 1);  
   
7.         }  
   

复制代码

3)在tests目录下的类似unit-test-server这个不是可执行文件,而是一个脚本.
他会调用tests目录下的.lib/下的unit-test-server可执行文件,在PC中需要执行对应的脚本文件,而在嵌入式平台上直接执行tests/.lib可执行文件.

默认生成的测试可执行文件是在隐藏文件夹中的如下操作后可在samba映射中看到

1. # cd ./tests/
   
2.         # cp .lib/ test-bin/
   
3.         # cd test-bin/

复制代码

4)以上为基本的测试,如果想实际的使用这个库,可以自行写客户端或者服务器程序,调试可以使用对应的Modbus Poll/Slave这是windows下的可视化调试工具.


四、windows下的可视化调试软件
主要两个软件modbus poll和modbus slave，当然如果想先了解modbus通讯协议可以参考协议spec然后用vspd来连接这两个软件，先在pc上面做一些基础的实验，我想是个很好的入门方法。

注意以下软件仅仅用于学习评估，安装测试后删除。

安装软件如下：


VSPD


PC上测试软件

注意这里我们课使用localhost作为测试，选择tcp方式，方便一点不需要vspd的


串口的连接方式




五、libmodbus测试程序

可以先在板子上面测试，如下

server程序


client测试


测试通过


六、使用可视化工具来调试modbus嵌入式程序
       这里我偷懒了，直接使用自带的tests下面的程序来演示如何去做这个事情吧，大家可以动手写自己的modbus主机和从机程序了，方法很简单，不懂的看docs下面的文档还有就是tests下面的例子个个都很不错，我这个帖子不是深入的教学帖子，就不进行详细的代码级别的教学了，主要是说个思路大家自己发挥吧，想搞啥搞啥，没有局限，linux是自由的。当然了实际项目完全按照这个步骤来run没问题的。


我们来看一下unit-test-client.c这个文件中的我们来分析的部分，我也只做了这部分与可视化界面的通讯演示

1.     /** COIL BITS **/
   
2. 
   
3.     /* Single */
   
4.     rc = modbus_write_bit(ctx, UT_BITS_ADDRESS, ON);
   
5.     printf("1/2 modbus_write_bit: ");
   
6.     if (rc == 1) {
   
7.         printf("OK\n");
   
8.     } else {
   
9.         printf("FAILED\n");
   
10.         goto close;
    
11.     }
    
12. 
    
13.     rc = modbus_read_bits(ctx, UT_BITS_ADDRESS, 1, tab_rp_bits);
    
14.     printf("2/2 modbus_read_bits: ");
    
15.     if (rc != 1) {
    
16.         printf("FAILED (nb points %d)\n", rc);
    
17.         goto close;
    
18.     }
    
19. 
    
20.     if (tab_rp_bits[0] != ON) {
    
21.         printf("FAILED (%0X = != %0X)\n", tab_rp_bits[0], ON);
    
22.         goto close;
    
23.     }
    
24.     printf("OK\n");
    
25.     /* End single */

复制代码

我们看几个函数说明

modbus_new_rtu


modbus_set_slave


modbus_write_bit


好了需要注意unit_test.h文件中关于server-id和address的定义信息，后面需要用到

1. #define SERVER_ID         17
   
2. #define INVALID_SERVER_ID 18
   
3. 
   
4. const uint16_t UT_BITS_ADDRESS = 0x13;
   
5. const uint16_t UT_BITS_NB = 0x25;
   
6. const uint8_t UT_BITS_TAB[] = { 0xCD, 0x6B, 0xB2, 0x0E, 0x1B };

复制代码

这有两个地址一个是设备地址一个是modbus的地址域，还比较好懂吧，一主多从，典型的rs485通信链路。

测试图，细节可以看图片中的文字说明：

1）设置slave，这里可以理解为是一个服务，是个从机


2）配置通信，注意我使用板子的COM2


3）测试中，打开通信调试，原始数据，可比对前面的帧结构一个个对应上，还有就是后面那副图中的调试数据


4）板子中跑的程序可以理解为主机，他对设备地址为17=0x11的从机进行bits读写操作



好了，写个帖子有点累，要说的东西很多，大家有问题跟帖说明吧，我会做出解答。

lyzhangxiang

还有个打算，这里说一下
准备给raw-os移植这个modbus组件，毕竟工业上使用的还是很多的。

还有一点想说的，希望大伙能针对raw-os做一些测试和优化的工作，当然了我也想把每个模块进行划分，不要整合在一个大工程中，毕竟每个人的需求就不一样，太大了不适合学习。

或者仅仅一个raw-os的清爽一点，这样也不错。当然了也有os+lwip这种，就是各种组合吧，挺好的我觉得。

或者弄一个可视化的配置界面或者menuconfig什么的，可以借鉴rt thread的那个工具具体记不得了什么scon还是什么的。

spacexplorer

篇篇精彩！强烈支持raw-os＋menuconfig！

zmicky

您好，我看了这篇文章后对libmodbus移植，在编译tests里的测试代码时出现一些问题：
undefined reference to 'modbus_new_tcp'
undefined reference to 'modbus_set_debug'
……
这是没有找到库文件吗，可以帮忙解答一下吗，另外使用make命令后，为什么.lib文件夹里的是可执行代码，如果想自己编程实现怎么编译呢？（makefile目前还看不懂，请多多指教）
非常感谢！

lyzhangxiang

zmicky 发表于 2015-3-26 17:52
您好，我看了这篇文章后对libmodbus移植，在编译tests里的测试代码时出现一些问题：
undefined reference to 'modbus_new_tcp'
undefined reference to 'modbus_set_debug'
……
这是没有找到库文件吗，可以帮忙解答一下吗，另外使用make命令后，为什么.lib文件夹里的是可执行代码，如果想自己编程实现怎么编译呢？（makefile目前还看不懂，请多多指教）
非常感谢！

自己研究一下，慢慢的

感觉自己写的已经蛮清楚的了，如果是太新手了，估计要补一下基础

zmicky

恩，好的，谢谢