用Python实现Modbus-RTU协议及串口调试(二)
本文接着上篇文章“用Python实现Modbus-RTU协议及串口调试(一)”，主要功能是通过多线程来实现多主站读取RS485数据分配器接入的一台仪表数据，实现终端中的实时数据显示刷新和错误统计，用于测试RS485数据分配器的可靠性。
上篇文章实现了简单的Modbus-RTU协议的03/04功能号的寄存器值读取。本文更深入一些，实现用线程读取仪表数据。原因是这块仪表由于是结算用计量表，所以有两个企业都要同时对其进行读取，我们知道RS485协议规定只能有一台主站读取从站，多台主站会造成数据冲突。怎么解决这个问题呢，我在某宝上发现有一种东西叫RS485数据分配器，可以同时多主站读取从站数据，原理就是RS485数据分配器会将主站发送的指令帧先缓存起来，按顺序依次向从站发送，从站返回数据帧后再返回给原主站。只要每个主站的采集数据频率不要太快，还是可以解决问题的。这样我的调试程序就得改造一下，得实现同时使用两个不同RS485串口无序读取仪表数据，来测试这个RS485数据分配器是否可靠，我使用两个独立线程，每个线程分别使用一路RS485来读取这一个Modbus-RTU协议的仪表数据。
在前篇文章的基础上，先将读取数据功能封装为一个函数。
# 读取仪表数据并解析返回
def readmeterdata(serialname, bandrate, meter_add, start_reg, reg_num):
try:
com = serial.Serial(serialname, bandrate, timeout=0.8)
if not com:
print(f"the serial {serialname} is error")
return
send_data = mmodbus03or04(meter_add, start_reg, reg_num)
if not send_data:
print("Pack the cmd error")
return
com.write(send_data)
recv_data = com.read(reg_num*2+5)
com.close()
if recv_data and len(recv_data) > 0:
retdata = smodbus03or04(recv_data)
if retdata:
return retdata
else:
return
else:
return
except Exception as e:
# print(f"Exception : {e}")
return
如果读取到仪表数据则会返回读取数据的列表retdata。
再定义线程函数，注意下面线程函数中如果没有仪表数据则使用随机数，用来测试表格的显示。分别创建了两个函数分别用不同串口来读取仪表数据，为什么不用一个函数不同参数来创建线程，是因为实时数据显示问题，往下看。
# 读取寄存器数据线程
console = Console()
threadrun = True
nowdata2 = []
def readdatathread(serialname, bandrate, meteradd, start_reg, reg_num):
readnums = 1
errnums = 0
now_data = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data:
errnums += 1
now_data = []
for i in range(int(regnums/2)):
value = random.random() * 100
now_data.append(value)
with Live(generate_table(now_data, nowdata2), refresh_per_second=4) as live:
while threadrun:
live.update(generate_table(now_data, nowdata2))
now_data = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data:
errnums += 1
now_data = []
for i in range(int(regnums / 2)):
value = random.random() * 100
now_data.append(value)
readnums += 1
time.sleep(1) # 1秒读取一次数据
console.print(Panel(f"[yellow]{serialname}线程: 读取总次数={readnums} 错误次数={errnums}", title="统计"))
首先定义了三个全局变量，一个是线程运行标志变量threadrun，默认为True，为False时两个线程结束，一个是nowdata2列表，用于存放线程2读取的数据，为什么用全局变量存储，是为了往线程1里传递线程2的读取数据。一个是Consol对象实例，Consol对象是Rich库中的控制台对象，这里的Rich库是一个在终端中显示富文本、表格等高级内容的Python库，这里我用它来实现实时数据的显示。实时数据用表格形式显示，如下图：
要实现终端中的表格数据实时刷新，要使用Rich库的Live对象和表格生成函数，函数中的
with Live(generate_table(now_data, nowdata2), refresh_per_second=4) as live:
这行代码用来生成Live对象实例，它需要一个刷新数据用的表格生成函数。
live.update(generate_table(now_data, nowdata2))
这行代码就是使用Live对象实例来刷新数据。大家注意到第一个线程读取函数同时用两个线程读取的数据列表来刷新表格数据，是因为Rich库的Live对象在同一时刻只能有1个示例运行，所以用全局变量nowdata2传递第二个线程读取的数据，在第一个线程中刷新表格。Rich是一个很有意思的库而且支持中文，给喜欢用终端显示的朋友带来不少编程乐趣。Rich库的具体用法有兴趣的朋友请参考Rich库的github网址。Rich的演示界面如下图：
表格生成函数如下：
def generate_table(nowdata, nowdata2) -> Table:
table = Table(show_header=True, header_style="bold magenta")
table.add_column("No", width = 4)
table.add_column("Data1", width=12)
table.add_column("Data2", width=12)
for i in range(len(nowdata)):
if nowdata2 and len(nowdata2) > 0:
table.add_row("[red]"+str(i + 1), f"[green]{nowdata[i]:.3f}", f"[green]{nowdata2[i]:.3f}")
else:
table.add_row("[red]"+str(i + 1), f"[green]{nowdata[i]:.3f}", "[green]0.000")
return table
它接收2个数值列表参数构造表格。
由于Live对象实例只能运行一个的问题，再建立一个用不同串口读取数据的线程，第二个读取仪表数据线程的代码如下：
# 读取寄存器数据线程，只读取数据不更新live对象进行表格显示
def readdatathread2(serialname, bandrate, meteradd, start_reg, reg_num):
readnums = 0
errnums = 0
global nowdata2
while threadrun:
readnums += 1
now_data2 = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data2:
errnums += 1
if nowdata2:
nowdata2.clear()
for i in range(int(regnums / 2)):
value = random.random() * 100
nowdata2.append(value)
else:
nowdata2 = now_data2
time.sleep(1) # 1秒读取一次数据
console.print(Panel(f"[yellow]{serialname}线程: 读取总次数={readnums} 错误次数={errnums}", title="统计"))
两个线程函数结束时都统计了读取数据的总次数和错误次数并用Rich库的面板显示出来，以此判断RS485数据分配器的可靠性。
最后是构造线程，执行一定时间后退出，查看两个数据读取线程的统计结果。如下：
if __name__ == '__main__':
strcom = "com3"
strcom2 = "com4"
comrate = 9600
slaveadd = 1
startreg = 0
regnums = 20
# 单独使用线程采集仪表数据，线程根据标志threadrun为False时退出
thread1 = threading.Thread(target=readdatathread, args=(strcom, comrate, slaveadd, startreg, regnums))
thread1.start()
time.sleep(1)
thread2 = threading.Thread(target=readdatathread2, args=(strcom2, comrate, slaveadd, startreg, regnums))
thread2.start()
time.sleep(30) # 让子弹飞一会，线程运行30秒结束
threadrun = False
其中线程1和线程2读取的仪表数据会如上图的实时数据表格进行显示。
可以运行的完整代码如下，当然使用的几个库要先安装。
import serial
import crcmod
import time, sys
import struct
import threading
import random
from rich.console import Console
from rich.table import Column, Table
from rich.live import Live
from rich.panel import Panel
# CRC16校验，返回整型数
def crc16(veritydata):
if not veritydata:
return
crc16 = crcmod.mkCrcFun(0x18005, rev=True, initCrc=0xFFFF, xorOut=0x0000)
return crc16(veritydata)
# 校验数据帧的CRC码是否正确
def checkcrc(data):
if not data:
return False
if len(data) <= 2:
return False
nocrcdata = data[:-2]
oldcrc16 = data[-2:]
oldcrclist = list(oldcrc16)
crcres = crc16(nocrcdata)
crc16byts = crcres.to_bytes(2, byteorder="little", signed=False)
# print("CRC16:", crc16byts.hex())
crclist = list(crc16byts)
if oldcrclist[0] != crclist[0] or oldcrclist[1] != crclist[1]:
return False
return True
# Modbus-RTU协议的03或04读取保存或输入寄存器功能主-》从命令帧
def mmodbus03or04(add, startregadd, regnum, funcode=3):
if add < 0 or add > 0xFF or startregadd < 0 or startregadd > 0xFFFF or regnum < 1 or regnum > 0x7D:
print("Error: parameter error")
return
if funcode != 3 and funcode != 4:
print("Error: parameter error")
return
sendbytes = add.to_bytes(1, byteorder="big", signed=False)
sendbytes = sendbytes + funcode.to_bytes(1, byteorder="big", signed=False) + startregadd.to_bytes(2, byteorder="big", signed=False) + \
regnum.to_bytes(2, byteorder="big", signed=False)
crcres = crc16(sendbytes)
crc16bytes = crcres.to_bytes(2, byteorder="little", signed=False)
sendbytes = sendbytes + crc16bytes
return sendbytes
# Modbus-RTU协议的03或04读取保持或输入寄存器功能从-》主的数据帧解析（浮点数2,1,4,3格式，16位短整形（定义正负数））
def smodbus03or04(recvdata, valueformat=0, intsigned=False):
if not recvdata:
print("Error: data error")
return
if not checkcrc(recvdata):
print("Error: crc error")
return
datalist = list(recvdata)
if datalist[1] != 0x3 and datalist[1] != 0x4:
print("Error: recv data funcode error")
return
bytenums = datalist[2]
if bytenums % 2 != 0:
print("Error: recv data reg data error")
return
retdata = []
if valueformat == 0:
floatnums = bytenums / 4
floatlist = [0, 0, 0, 0]
for i in range(int(floatnums)):
floatlist[1] = datalist[3+i*4]
floatlist[0] = datalist[4+i*4]
floatlist[3] = datalist[5+i*4]
floatlist[2] = datalist[6+i*4]
bfloatdata = bytes(floatlist)
[fvalue] = struct.unpack('f', bfloatdata)
retdata.append(fvalue)
elif valueformat == 1:
shortintnums = bytenums / 2
for i in range(int(shortintnums)):
btemp = recvdata[3+i*2:5+i*2]
shortvalue = int.from_bytes(btemp, byteorder="big", signed=intsigned)
retdata.append(shortvalue)
return retdata
# 读取仪表数据并解析返回
def readmeterdata(serialname, bandrate, meter_add, start_reg, reg_num):
try:
com = serial.Serial(serialname, bandrate, timeout=0.8)
if not com:
print(f"the serial {serialname} is error")
return
send_data = mmodbus03or04(meter_add, start_reg, reg_num)
if not send_data:
print("Pack the cmd error")
return
com.write(send_data)
recv_data = com.read(reg_num*2+5)
com.close()
if recv_data and len(recv_data) > 0:
retdata = smodbus03or04(recv_data)
if retdata:
return retdata
else:
return
else:
return
except Exception as e:
# print(f"Exception : {e}")
return
# 读取寄存器数据线程
console = Console()
threadrun = True
nowdata2 = []
def readdatathread(serialname, bandrate, meteradd, start_reg, reg_num):
readnums = 1
errnums = 0
now_data = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data:
errnums += 1
now_data = []
for i in range(int(regnums/2)):
value = random.random() * 100
now_data.append(value)
with Live(generate_table(now_data, nowdata2), refresh_per_second=4) as live:
while threadrun:
live.update(generate_table(now_data, nowdata2))
now_data = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data:
errnums += 1
now_data = []
for i in range(int(regnums / 2)):
value = random.random() * 100
now_data.append(value)
readnums += 1
time.sleep(1) # 1秒读取一次数据
console.print(Panel(f"[yellow]{serialname}线程: 读取总次数={readnums} 错误次数={errnums}", title="统计"))
# 读取寄存器数据线程，只读取数据不更新live对象进行表格显示
def readdatathread2(serialname, bandrate, meteradd, start_reg, reg_num):
readnums = 0
errnums = 0
global nowdata2
while threadrun:
readnums += 1
now_data2 = readmeterdata(serialname, bandrate, slaveadd, startreg, regnums)
if not now_data2:
errnums += 1
if nowdata2:
nowdata2.clear()
for i in range(int(regnums / 2)):
value = random.random() * 100
nowdata2.append(value)
else:
nowdata2 = now_data2
time.sleep(1) # 1秒读取一次数据
console.print(Panel(f"[yellow]{serialname}线程: 读取总次数={readnums} 错误次数={errnums}", title="统计"))
def generate_table(nowdata, nowdata2) -> Table:
table = Table(show_header=True, header_style="bold magenta")
table.add_column("No", width = 4)
table.add_column("Data1", width=12)
table.add_column("Data2", width=12)
for i in range(len(nowdata)):
if nowdata2 and len(nowdata2) > 0:
table.add_row("[red]"+str(i + 1), f"[green]{nowdata[i]:.3f}", f"[green]{nowdata2[i]:.3f}")
else:
table.add_row("[red]"+str(i + 1), f"[green]{nowdata[i]:.3f}", "[green]0.000")
return table
if __name__ == '__main__':
strcom = "com3"
strcom2 = "com4"
comrate = 9600
slaveadd = 1
startreg = 0
regnums = 20
# 单独使用线程采集仪表数据，线程根据标志threadrun为False时退出
thread1 = threading.Thread(target=readdatathread, args=(strcom, comrate, slaveadd, startreg, regnums))
thread1.start()
time.sleep(1)
thread2 = threading.Thread(target=readdatathread2, args=(strcom2, comrate, slaveadd, startreg, regnums))
thread2.start()
time.sleep(30) #让子弹飞一会，线程运行30秒结束
threadrun = False
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