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掌握Modbus RTU编程，轻松实现设备通信与控制

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在工业自动化领域，Modbus RTU协议因其简单、高效、可靠的特点，被广泛应用于各种设备间的通信。掌握Modbus RTU编程，不仅能让你轻松实现设备间的通信，还能对设备进行有效的控制。下面，我将从Modbus RTU协议的基本概念、编程方法以及实际应用案例等方面，为你详细讲解如何掌握Modbus RTU编程。

Modbus RTU协议简介

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是一种串行通信协议，由Modicon公司于1979年发明。它是一种主从式通信协议，即一个主站可以向多个从站发送命令，从站则根据命令执行相应的操作，并将结果返回给主站。

Modbus RTU协议的特点如下：

  • 简单易用：Modbus RTU协议的帧结构简单，易于实现；
  • 高效传输：Modbus RTU协议的传输效率高，适用于实时性要求较高的应用场景；
  • 可靠稳定：Modbus RTU协议具有较强的抗干扰能力，适用于工业环境。

Modbus RTU编程方法

1. 串口设置

在进行Modbus RTU编程之前，首先需要配置串口参数，包括波特率、数据位、停止位、校验位等。以下是一个使用C语言配置串口的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <termios.h>

int set_serial(const char *serial_port, int baud_rate) {
    struct termios tty;
    memset(&tty, 0, sizeof tty);
    if (tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
        perror("Error from tcgetattr: ");
        return -1;
    }

    cfsetospeed(&tty, baud_rate);
    cfsetispeed(&tty, baud_rate);

    tty.c_cflag &= ~PARENB; // Clear parity bit, disabling parity (most common)
    tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // Clear stop field, only one stop bit used in communication (most common)
    tty.c_cflag &= ~CSIZE; // Clear all the size bits, then use one of the statements below
    tty.c_cflag |= CS8; // 8 bits per byte (most common)
    tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // Disable RTS/CTS hardware flow control (most common)
    tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // Turn on READ & ignore ctrl lines (CLOCAL = 1)

    tty.c_lflag &= ~ICANON; // Disable canonical mode
    tty.c_lflag &= ~ECHO; // Disable echo
    tty.c_lflag &= ~ECHOE; // Disable erasure
    tty.c_lflag &= ~ECHONL; // Disable new-line echo
    tty.c_lflag &= ~ISIG; // Disable interpretation of INTR, QUIT and SUSP
    tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // Turn off s/w flow ctrl
    tty.c_iflag &= ~(IGNBRK|BRKINT|PARMRK|ISTRIP|INLCR|IGNCR|ICRNL); // Disable any special handling of received bytes

    tty.c_oflag &= ~OPOST; // Prevent special interpretation of output bytes (e.g. newline chars)
    tty.c_oflag &= ~ONLCR; // Prevent conversion of newline to carriage return/line feed

    // Now apply the settings
    if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
        perror("Error from tcsetattr: ");
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main() {
    set_serial("/dev/ttyUSB0", B9600);
    // ... 其他操作
    return 0;
}

2. Modbus RTU帧格式

Modbus RTU帧格式如下：

地址字节 | 长度字节 | 功能码 | 数据字节 | 校验和
  • 地址字节：从站的地址；
  • 长度字节：数据字节的长度（包括功能码和后续数据）；
  • 功能码：表示操作类型，如读取保持寄存器、写入单个寄存器等；
  • 数据字节：操作数据；
  • 校验和：数据字节和校验和的求和值，用于校验数据的完整性。

3. 编写Modbus RTU通信函数

以下是一个使用C语言编写的Modbus RTU通信函数示例：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

// 生成Modbus RTU帧
uint8_t* create_modbus_frame(uint8_t slave_address, uint8_t function_code, uint8_t *data, uint16_t data_length) {
    uint8_t *frame = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t) * (2 + 1 + data_length + 2));
    if (!frame) {
        return NULL;
    }

    frame[0] = slave_address;
    frame[1] = data_length + 2;
    frame[2] = function_code;

    for (int i = 0; i < data_length; ++i) {
        frame[3 + i] = data[i];
    }

    uint16_t crc = generate_crc(frame, 3 + data_length);
    frame[3 + data_length] = (crc & 0xFF);
    frame[4 + data_length] = (crc >> 8) & 0xFF;

    return frame;
}

// 计算CRC校验和
uint16_t generate_crc(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t pos = 0; pos < length; pos++) {
        crc ^= data[pos];
        for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
            if (crc & 1) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

// 发送Modbus RTU帧
int send_modbus_frame(int serial_fd, uint8_t *frame, uint16_t frame_length) {
    return write(serial_fd, frame, frame_length);
}

// 接收Modbus RTU帧
int receive_modbus_frame(int serial_fd, uint8_t *frame, uint16_t frame_length) {
    return read(serial_fd, frame, frame_length);
}

int main() {
    int serial_fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);
    if (serial_fd < 0) {
        perror("Error opening serial port");
        return -1;
    }

    // ... 设置串口参数

    uint8_t *frame = create_modbus_frame(1, 0x03, (uint8_t *)&reg_address, 2);
    if (!frame) {
        perror("Error creating Modbus frame");
        return -1;
    }

    send_modbus_frame(serial_fd, frame, sizeof(frame));

    // ... 接收数据

    free(frame);
    close(serial_fd);
    return 0;
}

4. 实际应用案例

以下是一个使用Modbus RTU协议读取设备温度的案例：

  1. 设备温度寄存器地址：0x0001
  2. 设备温度数据长度：2个字节
uint8_t slave_address = 1;
uint8_t function_code = 0x03;
uint16_t reg_address = 0x0001;
uint8_t *frame = create_modbus_frame(slave_address, function_code, (uint8_t *)&reg_address, 2);

// 发送Modbus RTU帧
if (send_modbus_frame(serial_fd, frame, sizeof(frame)) < 0) {
    perror("Error sending Modbus frame");
    free(frame);
    close(serial_fd);
    return -1;
}

// 接收数据
uint8_t data[2];
if (receive_modbus_frame(serial_fd, data, sizeof(data)) < 0) {
    perror("Error receiving Modbus frame");
    free(frame);
    close(serial_fd);
    return -1;
}

// 转换数据为温度值
int16_t temperature = (data[0] << 8) | data[1];
printf("Device temperature: %d°C\n", temperature);

free(frame);
close(serial_fd);

总结

通过以上内容，相信你已经掌握了Modbus RTU编程的基本方法和实际应用。在实际开发过程中，还需不断积累经验，提高编程技巧。希望这篇文章能对你有所帮助。

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