Modbus是一種常見的工業(yè)系統(tǒng)通訊協(xié)議。在我們的設計開發(fā)工作中經(jīng)常使用到它。在這一篇中我們將簡單實現(xiàn)一個基于QT的Modbus RTU主站上位工具。

1、概述

??Modbus RTU主站應用很常見，有一些是通用的，有一些是專用的。而這里我們希望實現(xiàn)一個主要針對我們的產(chǎn)品調(diào)試的Modbus RTU主站工具。

??在開始軟件設計之前，我們先來簡略地分析一下，實現(xiàn)這樣一個Modbus RTU主站工具包含的主要內(nèi)容有哪些。我們認為軟件需要如下幾個方面的內(nèi)容：

（1）、串口參數(shù)的配置

??Modbus RTU通過串口來實現(xiàn)通訊，所以我們需要對串口相關的參數(shù)進行配置。對串口的配置主要是串口名、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位等。對于這些參數(shù)我們讓使用者可以根據(jù)需要選擇。

??而串口號，我們希望軟件可以自動搜索當前可用的串口列表。而且我們可以通過操作更新可用的串口列表。對串口的操作主要是串口的打開與關閉。

（2）、從站信息的配置

??我們實現(xiàn)Modbus RTU主站應用就是訪問從站的數(shù)據(jù)，所以我們需要在主站應用中配置從站的信息。主要有站地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式等，我們將其設置為可以選擇。

讀取從站的參數(shù)配置，主要是起始地址、讀取的數(shù)量。寫從站參數(shù)的配置，主要是起始地址、寫入的數(shù)量以及寫入的數(shù)值。

（3）、對從站的操作

??Modbus RTU主站對從站的操作無非是讀從站數(shù)據(jù)和寫從站數(shù)據(jù)，我們通過制定讀寫的寄存器類型、起始地址、數(shù)量等通過按鈕操作來實現(xiàn)讀寫命令的發(fā)送。

??除了手動操作讀寫外，很多時候我們可能需要Modbus RTU主站自動周期性的讀取從站的數(shù)據(jù)。所以我們讓其可以選擇以多長的周期自動循環(huán)讀取。

（4）、對信息的顯示

??接收信息的顯示，作為一款工具軟件， 我們當然希望看到我們發(fā)給從站的命令究竟有沒有成功，最簡單的和直觀的辦法就是將接收到的信息顯示出來。對于Modbus RTU主站當然是顯示對應的地址的值。

??同樣的，我們有時候想要看到發(fā)送和接收到的原始報文，所以我們對發(fā)送和接收到的報文也作相應的顯示。

??對于個別數(shù)據(jù)有時候我們還希望看到他的變化趨勢，所以我們可以添加一個圖形顯示，用以顯示我們制定的數(shù)據(jù)的變化趨勢。

??運行狀態(tài)的顯示， 我們希望對操作的狀態(tài)進行反饋以指示操作的動作是否執(zhí)行，所以我們需要狀態(tài)欄來實現(xiàn)這一需求。

2、界面設計

??根據(jù)上一節(jié)中分析的需求，我們先來設計軟件的界面。我們在QT中基于QMainWindow類生成一個操作界面，包括菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄以滿足需求中對狀態(tài)顯示及操作命令的要求。

??而在中間顯示區(qū)域，我們將其劃分為2列。在左邊的一列從上到下設置：串口配置操作區(qū)域和讀寫從站的交互配置區(qū)域。在右側(cè)的一列從上到下設置：動態(tài)曲線顯示區(qū)域、收發(fā)消息顯示區(qū)域以及直接輸入報文發(fā)送命令的輸入?yún)^(qū)域。具體的界面設置如下圖所示：

??完成如上圖的布局后，我們可以選擇在屬性中配置控件的參數(shù)，也可以在代碼中添加相關的參數(shù)。在這里在代碼中通過初始化形式完成參數(shù)的設置。完成整個布局后我們先試著運行程序，正常運行則出現(xiàn)如下的界面：

??上圖就是完成布局后的運行界面，不過我們還沒有實現(xiàn)相應的編碼，所以目前尚不能實現(xiàn)我們第一節(jié)中所預想的功能。

3、編碼實現(xiàn)

??接下來這一小節(jié)，我們將來編碼實現(xiàn)相應的功能。我們主要將功能分為串口操作功能、從站操作功能以及信息顯示功能三個部分來實現(xiàn)。

3.1、串口操作功能

??對串口的操作首先就是對串口參數(shù)的設置。我們在代碼中對界面上的串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位的ComboBox控件進行初始化。其中串口號通過自動搜索當前可用的串口來實現(xiàn)。具體的實現(xiàn)方式如下：

//搜索串口
void MainWindow::SearchSerialPorts()
{
    ui->comboBoxPort->clear();

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

??對串口的操作主要是串口的打開和關閉，在這里因為是Modbus RTU主站應用，我們稱之為連接和斷開。建立或斷開與從站的連接實際就是對串口的配置與操作，只是針對Modbus RTU作了一些封裝，具體實現(xiàn)如下：

//串口連接
void MainWindow::on_actionConnect_triggered()
{
    if (!modbusDevice)
        return;

    modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialPortNameParameter,ui->comboBoxPort->currentText());
    modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialBaudRateParameter,ui->comboBoxBaud->currentText().toInt());

    switch(ui->comboBoxParity->currentIndex())                   //設置奇偶校驗
    {
        case 0: modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialParityParameter,QSerialPort::NoParity);break;
        default: break;
    }

    switch(ui->comboBoxData->currentIndex())                   //設置數(shù)據(jù)位數(shù)
    {
        case 1:modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialDataBitsParameter,QSerialPort::Data8);break;
        default: break;
    }

    switch(ui->comboBoxStop->currentIndex())                     //設置停止位
    {
        case 1: modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialStopBitsParameter,QSerialPort::OneStop);break;
        case 2: modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialStopBitsParameter,QSerialPort::TwoStop);break;
        default: break;
    }

    modbusDevice->setTimeout(1000);
    modbusDevice->setNumberOfRetries(3);

    if (modbusDevice->connectDevice())
    {
        //開啟自動讀取
        if(ui->checkBoxAuto->isChecked())
        {
            connect(pollTimer,&QTimer::timeout, this, &MainWindow::ReadRequest);
            pollTimer->setInterval(ui->spinBoxInterval->value());
            pollTimer->start();
        }

        //連接槽函數(shù)
        //QObject::connect(serialPort, &QSerialPort::readyRead, this, &MainWindow::ReadSerialData);

        // 設置控件可否使用
        ui->actionConnect->setEnabled(false);
        ui->actionDisconnect->setEnabled(true);
        ui->actionRefresh->setEnabled(false);
    }
    else    //打開失敗提示
    {

        QMessageBox::information(this,tr("錯誤"),tr("連接從站失敗！"),QMessageBox::Ok);
    }
}

3.2、從站操作功能

??在前面一節(jié)中我們已經(jīng)設計過，對從站的操作包括手動按鈕讀取從站數(shù)據(jù)、手動按鈕寫入從站數(shù)據(jù)以及自動周期讀取從站數(shù)據(jù)。

??手動讀取從站數(shù)據(jù)是指點擊按鈕時觸發(fā)一次讀從站的操作，而從站的地址、讀取的寄存器類型、讀取的寄存器起始地址和寄存器的數(shù)量均根據(jù)界面上相應的設置確定。具體的實現(xiàn)如下：

//讀數(shù)據(jù)請求
void MainWindow::ReadRequest()
{
    if (!modbusDevice)
    {
        QMessageBox::information(NULL,  "Title",  "尚未連接從站設備");
        return;
    }

    QModbusDataUnit::RegisterType type;

    switch(ui->comboBoxDataType->currentIndex())
    {
        case 0:type=QModbusDataUnit::Coils;break;
        case 1:type=QModbusDataUnit::DiscreteInputs;break;
        case 2:type=QModbusDataUnit::InputRegisters;break;
        case 3:type=QModbusDataUnit::HoldingRegisters;break;
        default:type=QModbusDataUnit::Invalid;
    }

    int startAddress = ui->spinBoxStartRead->value();
    Q_ASSERT(startAddress >= 0 && startAddress < 10);

    // do not go beyond 10 entries
    quint16 numberOfEntries = qMin(quint16(ui->spinBoxNumberRead->value()), quint16(10 - startAddress));
    QModbusDataUnit readUnit=QModbusDataUnit(type, startAddress, numberOfEntries);

    statusBar()->clearMessage();

    if (auto *reply = modbusDevice->sendReadRequest(readUnit, ui->spinBoxStation->value()))
    {
        if (!reply->isFinished())
            connect(reply, &QModbusReply::finished, this, &MainWindow::ReadSerialData);
        else
            delete reply; // broadcast replies return immediately
    }
    else
    {
        statusBar()->showMessage(tr("Read error: ") + modbusDevice->errorString(), 5000);
    }

}

??手動寫從站操作是指點擊按鈕觸發(fā)一次寫從站操作，而從站的地址、寫入的寄存器類型、寫入的寄存器起始地址、寫入的寄存器的數(shù)量以及寫入的值均根據(jù)界面上相應的設置確定。而寄存器的值得輸入以“,”分割，具體的實現(xiàn)如下：

//寫數(shù)據(jù)請求
void MainWindow::WriteRequest(QList values)
{
    if (!modbusDevice)
    {
        QMessageBox::information(NULL,  "Title",  "尚未連接從站設備");
        return;
    }

    QModbusDataUnit::RegisterType type;

    switch(ui->comboBoxDataType->currentIndex())
    {
        case 0:type=QModbusDataUnit::Coils;break;
        case 1:type=QModbusDataUnit::DiscreteInputs;break;
        case 2:type=QModbusDataUnit::InputRegisters;break;
        case 3:type=QModbusDataUnit::HoldingRegisters;break;
        default:type=QModbusDataUnit::Invalid;
    }

    int startAddress = ui->spinBoxStartWrite->value();
    Q_ASSERT(startAddress >= 0 && startAddress < 10);

    QModbusDataUnit writeUnit = QModbusDataUnit(type,startAddress, values.size());
    for(int i=0; isize(); i++)
    {
        writeUnit.setValue(i, values.at(i));
    }

    //serverEdit 發(fā)生給slave的ID
    if (auto *reply = modbusDevice->sendWriteRequest(writeUnit,ui->spinBoxStation->value()))
    {
        if (!reply->isFinished())
        {
            connect(reply, &QModbusReply::finished, this, [this, reply]() {
                if (reply->error() == QModbusDevice::ProtocolError) {
                    qDebug() << QString("Write response error: %1 (Mobus exception: 0x%2)")
                                .arg(reply->errorString()).arg(reply->rawResult().exceptionCode(), -1, 16);
                } else if (reply->error() != QModbusDevice::NoError) {
                    qDebug() << QString("Write response error: %1 (code: 0x%2)").
                                arg(reply->errorString()).arg(reply->error(), -1, 16);
                }
                reply->deleteLater();
            });
        }
        else
        {
            reply->deleteLater();
        }
    }
    else
    {
        qDebug() << QString(("Write error: ") + modbusDevice->errorString());
    }
}

??對于自動周期性讀取從站數(shù)據(jù)我們通過一個計時器周期性操作，而從站的地址、讀取的寄存器類型、讀取的寄存器起始地址、寄存器的數(shù)量以及間隔時間通過界面設置。而其操作與手動按鈕觸發(fā)一樣。

3.3、信息顯示功能

??對于信息的顯示我們主要考慮3個方面的內(nèi)容。一是讀取回來的從站數(shù)據(jù)結(jié)果顯示；二是上下行報文的監(jiān)視；三是操作過程及狀態(tài)的顯示。

??首先是對讀取回來的從站數(shù)據(jù)進行顯示，在這里我們將讀取的寄存器地址及其對應的數(shù)據(jù)顯示在消息框中。同時我們將部分數(shù)據(jù)在圖形顯示中以曲線的形式展示出來。

//曲線顯示
void MainWindow::ChartDisplay()
{
    QColor acolor[8]={Qt::red,Qt::blue,Qt::green,Qt::cyan,Qt::yellow,Qt::magenta,Qt::black,Qt::darkRed};
    QStringList name={"拋物線","正弦值","正弦值","固定值","固定值","固定值","固定值","固定值"};
    QVector list[8];
    QVector newlist[8];

    for(int j=0;j<8;j++)
    {
        list[j] = lineSeries[j]->pointsVector();//獲取現(xiàn)在圖中列表

        if (list[j].size() < 200)
        {
            //保持原來
            newlist[j] = list[j];
        }
        else
        {
            //錯位移動
            for(int i =1 ; i< list[j].size();i++)
            {
                newlist[j].append(QPointF(i-1,list[j].at(i).y()));
            }
        }

        newlist[j].append(QPointF(newlist[j].size(),values[j]));//最后補上新的數(shù)據(jù)

        lineSeries[j]->replace(newlist[j]);//替換更新

        lineSeries[j]->setName(name[j]);//設置曲線名稱
        lineSeries[j]->setPen(acolor[j]);//設置曲線顏色
        lineSeries[j]->setUseOpenGL(true);//openGl 加速

        //mChart->setTitle("Pressure Data");//設置圖標標題
        mChart->removeSeries(lineSeries[j]);
        mChart->addSeries(lineSeries[j]);
        mChart->createDefaultAxes();//設置坐標軸
    }

    ui->graphicsView->setChart(mChart);
}

??其次對于上下行報文我們也將其顯示到消息顯示框中。在QT對Modbus協(xié)議進行封裝后，我們沒有辦法直接獲取上下行的報文，我們可以開啟日志答應功能，再從其中截取相應的報文。

QLoggingCategory::setFilterRules(QStringLiteral("qt.modbus* = true"));

??而操作過程及狀態(tài)顯示則比較簡單，我們在狀態(tài)欄顯示相應的操作過程和操作的狀態(tài)。

4、小結(jié)

??完成了編碼調(diào)試后，我們尚需要對這一工具進行一些測試。首先我們安裝一個虛擬串口軟件用以虛擬我們用于測試的串口，并找到一款Modbus RTU的從站模擬軟件。當然有實際的從站和硬件的串行端口更好，在這里我們先用軟件模擬。具體的配置如下圖所示：

??而Modbus RTU從站我們使用MThings來模擬，當然也可以使用其它Modbus RTU從站模擬軟件。我們模擬10個保持寄存器和10個線圈，之所以這么設置是因為這兩種數(shù)據(jù)類型支持讀寫，方便我們測試。具體的配置如下圖所示：

??現(xiàn)在將我們設計的Modbus RTU主站運行起來，并使用它去訪問我們剛才配置的Modbus RTU從站。首先我們實驗讀從站數(shù)據(jù)操作。測試的結(jié)果如下圖所示：

??這里我們讀取從站從地址0開始的10個保持寄存器，并將值顯示在消息框和圖形中。我們模擬了2路正弦信號、1路拋物線信號和5路固定值信號。接下來我們測試一下寫操作。測試的結(jié)果如下圖所示：

??這里對從站的從地址3開始的3個保持寄存器的值進行修改。設定的值分別是123、456和789，操作完成后我們查看從站的結(jié)果如下：

??上圖中與我們設定值的完全符合，說明我們的寫從站操作時正確的。到這里我們基于QT的Modbus RTU主站就基本實現(xiàn)了。當然，我們還可以根據(jù)需要修改或添加一些功能以適應不同的應用需求。我們已經(jīng)將代碼發(fā)布到Gitee，歡迎下載和交流。

下載地址：https://gitee.com/ErichMoonan/ModbusMaster