Qt C++ 实战：Modbus RTU 协议详解及主站实现

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。

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。

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：

功能码	名称	作用
01	读取线圈状态	取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF）
02	读取输入状态	取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF）
03	读取保持寄存器	在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值
04	读取输入寄存器	在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值
05	强置单线圈	强置一个逻辑线圈的通断状态
06	预置单寄存器	把具体二进制装入一个保持寄存器
07	读取异常状态	取得 8 个内部线圈的通断状态，这 8 个线圈的地址由控制器决定，用户逻辑可以将这些线圈定义，以说明从机状态，短报文适宜于迅速读取状态
08	会送诊断校验	把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴
09	编程（只用于 484）	使主机模拟编程器作用，修改 PC 从机逻辑
10	控询（只用于 484）	可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否完成其操作任务，仅在含有功能码 9 的报文发送后，本功能码才能发送
11	读取事件计数	可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是该命令或其他应答产生通信错误时。
12	读取通信事件记录	可使主机检索每台从机的 Modbus 事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成，记录会给出相关错误
13	编程（184/384 484 584）	可使主机模拟编程器功能修改 PC 从机逻辑
14	探询（184/384 484 584）	可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机是否已完成其程序操作，仅在含有功能 13 的报文发送后，本功能码才得发送
15	强置多线圈	强置一串连续逻辑线圈的通断
16	预置多寄存器	把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器
17	报告从机标识	可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态
18	（884 和 MICRO 84）	可使主机模拟编程功能，修改 PC 状态逻辑
19	重置通信链路	发生非可修改错误后，使从机复位

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：

QModbusDataUnit::RegisterType 枚举值	Modbus 功能码	寄存器类型（通俗名称）	读写属性
Coils	01,05,15	线圈，位数据（1bit）	读写
DiscreteInputs	02	离散输入，位数据（1bit）	只读
InputRegisters	04	输入寄存器，字数据（16bits）	只读
HodingRegister	03,06,16	保持寄存器，字数据（16bits）	读写

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。

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()
        // ... 后续代码省略
    }
}