软件设计开发笔记6：基于QT的Modbus RTU从站

  Modbus是一种常见的工业系统通讯协议。在我们的设计开发工作中经常使用到它。作为一种主从协议，在上一篇我们实现了Mobus RTU主站工具，接下来这一篇中我们将简单实现一个基于QT的Mobus RTU从站工具。

1、概述

  Modbus RTU从站应用很常见，有一些是通用的，有一些是专用的。而这里我们希望实现一个主要针对我们的产品调试的Modbus RTU从站工具。
  在开始软件设计之前，我们先来简略地分析一下，实现这样一个Modbus RTU从站工具包含的主要内容有哪些。我们认为软件需要如下几个方面的内容：

（1）、串口参数的配置

  Modbus RTU通过串口来实现通讯，所以我们需要对串口相关的参数进行配置。我们希望串口号能够自动搜索，而相应的配置参数我们可以选择。
  对串口的操作我们希望可以适应不同使用情况下的需求，让使用者可以自行选择串口名、波特率、校验位、数据位和停止位等，并控制串口的打开和关闭。

（2）、对数据的配置

  数据的修改及更新，因为我们是从站实例，所以我们需要设置从站的参数类型和数量。我们将实现Modbus协议规定的4中数据类型：线圈、状态、输入寄存器和保持寄存器。
  这四种数据其中线圈和状态是布尔量；输入寄存器和保持寄存器是16位整型量，这是指他的存储形式，事实上多个寄存器可以表示各种应用数据类型；线圈和保持寄存器支持读写；状态和输入寄存器位只读。

（3）、对主站的响应

  对读从站数据，主要是指Modbus的功能码0x01、0x02、0x03和0x04等的处理。收到这几个功能码后，我们根据报文中的首地址和数量返回给主站即可。
  对写从站数据，主要是指Modbus的功能码0x05、0x06、0x0F和0x10等的处理。对于这几个功能码，我们解析到这几个功能码后，根据指定的起始地址和数值对显影的变量值进行修改。

（4）、对信息的显示

  接收信息的显示，作为调试工具，我们肯定希望能够一目了然地看到接收到目标设备发送过来的消息，所以我们需要一个显示区域来对接收的区域进行显示。
  对数据的显示，我们在界面上设计各种数据类型的指示，线圈和状态使用CheckBox来显示其状态。当置位时现实为选中，复位时显示为不选中。而对于输入寄存器和保  持寄存器则可以直接显示它的数值。变量数据改变时则更新界面显示；同时界面状态改变时则更行变量数据。
  运行状态的显示， 我们希望对操作的状态进行反馈以指示操作的动作是否执行，所以我们需要状态栏来实现这一需求。

2、界面设计

  根据上一节中分析的需求，我们先来设计软件的界面。我们在QT中基于QMainWindow类生成一个操作界面，包括菜单栏、工具栏和状态栏以满足需求中对状态显示及操作命令的要求。
  我们将上部区域设置为串口参数及Modbus RTU从站参数的配置于操作区域。而下面我们以5列17行的形式展示各种数据类型的数据状态。具体的界面设置如下图所示：

  完成如上图的布局后，我们可以配置相应的参数，我们在程序初始化时配置好串口及Modbus RTU从站的默认参数。完成整个布局后我们先试着运行程序，正常运行则出现如下的界面：

  上图就是完成布局后的运行界面，不过我们还没有实现相应的编码，所以目前还不能实现我们第一节中所提出来的功能。

3、编码实现

  接下来这一小节，我们将来编码实现相应的功能。我们主要将功能分为参数设置与操作功能、数据的输入与发送功能以及数据的接收与显示功能三个部分来实现。

3.1、串口配置功能

  对于参数的配置除了串口号以外，我们可以在程序中默认设置相应的参数，如果有必要可以修改，如果默认参数能满足要求亦可直接使用。至于串口号默认的不一定时我们所希望的，根据硬件配置情况选择即可。参数选定后我们只需要点击“连接”按钮即可实现Modbus RTU从站的连接。而连接操作的具体实现方式如下：

void MainWindow::on_pushButtonConnect_clicked()
{
    bool intendToConnect = (modbusDevice->state() == QModbusDevice::UnconnectedState);

    statusBar()->clearMessage();

    if (intendToConnect)
    {
        modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialPortNameParameter,ui->comboBoxPort->currentText());
        modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialParityParameter,QSerialPort::NoParity);
        modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialBaudRateParameter,ui->comboBoxBaud->currentText().toInt());
        modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialDataBitsParameter,QSerialPort::Data8);
        modbusDevice->setConnectionParameter(QModbusDevice::SerialStopBitsParameter,QSerialPort::OneStop);

        modbusDevice->setServerAddress(ui->spinBoxStation->text().toInt());
        if (!modbusDevice->connectDevice())
        {
            statusBar()->showMessage(tr("连接失败: ") + modbusDevice->errorString(), 5000);
        }
        else
        {
            ui->pushButtonConnect->setEnabled(false);
            ui->pushButtonDisconnect->setEnabled(true);
        }
    }
}

3.2、对界面操作的响应

  首先我们在界面上操作各个类型的变量时，我们希望变量中的数据会跟随我们的操作而改变，并能被从站访问到。对于4种类型的数据将采用类似的处理方式。
  对于线圈和状态量，当我们在界面上点击复选框改变选中状态时，会触发对应的槽函数，并肩对应的编号作为参数传递进去，槽函数会处理将Modbus RTU从站定义的变量状态改为和复选框的状态一致。具体实现如下：

void MainWindow::coilChanged(int id)
{
    if(!modbusDevice)
    {
        return;
    }

    QAbstractButton *button = coilButtons.button(id);

    if (!modbusDevice->setData(QModbusDataUnit::Coils, quint16(id), button->isChecked()))
    {
        statusBar()->showMessage(tr("Could not set data: ") + modbusDevice->errorString(), 5000);
    }
}

void MainWindow::discreteInputChanged(int id)
{
    if(!modbusDevice)
    {
        return;
    }

    QAbstractButton *button = discreteButtons.button(id);

    if (!modbusDevice->setData(QModbusDataUnit::DiscreteInputs, quint16(id), button->isChecked()))
    {
        statusBar()->showMessage(tr("Could not set data: ") + modbusDevice->errorString(), 5000);
    }
}

  对于输入寄存器和保持寄存器在界面上使用的LineEdit来显示数据值，所以当我们改变LineEdit的内容时，让其触发槽函数。在槽函数中我们将Modbus RTU从站对应的寄存器的值改为和LineEdit的内容一样。具体实现如下：

void MainWindow::setInputRegister(const QString &value)
{
    if(!modbusDevice)
    {
        return;
    }

    const QString objectName = QObject::sender()->objectName();

    if(inputRegisters.contains(objectName))
    {
        bool ok = true;
        const quint16 id = quint16(QObject::sender()->property("ID").toUInt());

        if (objectName.startsWith(QStringLiteral("inReg")))
        {
            if(!modbusDevice->setData(QModbusDataUnit::InputRegisters, id, value.toUShort(&ok, 16)))
            {
                statusBar()->showMessage(tr("Could not set register: ") + modbusDevice->errorString(),5000);
            }
        }
    }
}

void MainWindow::setHoldingRegister(const QString &value)
{
    if(!modbusDevice)
    {
        return;
    }

    const QString objectName = QObject::sender()->objectName();

    if(holdingRegisters.contains(objectName))
    {
        bool ok = true;
        const quint16 id = quint16(QObject::sender()->property("ID").toUInt());
        qDebug()<setData(QModbusDataUnit::HoldingRegisters, id, value.toUShort(&ok, 16)))
            {
                statusBar()->showMessage(tr("Could not set register: ") + modbusDevice->errorString(),5000);
            }
        }
    }
}

  经过上面的处理之后，到我们在界面上操作时就会更新到Modbus RTU从站对应的数据变量。

3.3、对主站设置的响应

  当后台数据被修改时，需要修改显示数据。如主站修改了Coil或者HoldingRegister数据时，需要修改显示信息。而Modbus从站对象有3个信号，分别是：

void errorOccurred(QModbusDevice::Error error)
void stateChanged(QModbusDevice::State state)
void dataWritten(QModbusDataUnit::RegisterType table, int address, int size)

  当主站访问从站时，则会在不同状态下触发相应信号函数，我们需要实现这三个信号函数对应的槽函数就可以实现相应的操作。具体实现如下：

//根据从站的变化更新数据显示
void MainWindow::UpdateDisplayBySlave(QModbusDataUnit::RegisterType table, int address, int size)
{
    qDebug()<<"table:"<data(QModbusDataUnit::Coils, quint16(address + i), &value);
            coilButtons.button(address + i)->setChecked(value);
            break;
        }
        case QModbusDataUnit::HoldingRegisters:
        {
            modbusDevice->data(QModbusDataUnit::HoldingRegisters, quint16(address + i), &value);
            qDebug()<setText(text.setNum(value, 16));
            break;
        }
        default:
            break;
        }
    }
}

//设备错误处理
void MainWindow::HandleDeviceError(QModbusDevice::Error newError)
{
    if (newError == QModbusDevice::NoError || !modbusDevice)
        return;

    statusBar()->showMessage(modbusDevice->errorString(), 5000);
}

//从站状态改变响应
void MainWindow::SlaveStateChanged(int state)
{
    bool connected = (state != QModbusDevice::UnconnectedState);
    ui->pushButtonConnect->setEnabled(!connected);
    ui->pushButtonDisconnect->setEnabled(connected);
}

4、测试验证

  完成了编码调试后，我们来对开发的这一工具进行一些测试。首先我们安装一个虚拟串口软件用以虚拟我们用于测试的串口。我们还需要一个Modbus的主站应用来测试从站，这里我们选择Modscan来实现这一过程。
  我们使用虚拟串口来模拟一对串口COM4和COM5。我们在ModScan中打开4个串口分别对应4中数据变量，数量都是16个，并将串口参数设置为和从站默认的一致，然后将其连接到COM5，如下图所示：

  同时设置好从站的参数，然后将其连接到串口COM4，具体如下图：

  这样从站和主站就连接上了。我们接下来在从站界面上操作，看看主站的数据变化。我们在从站界面上将线圈量的0、2、4、6、8、10、12、14等置位，并将状态量的1、3、5、7、9、11、13、15等置位，并在主站中查看，具体如下：

  上图中我们可以看到主站显示的数据与从站设置的数据是一致的，说明我们的设计结果正确。接下来我们在从站界面上的输入寄存器的值修改0x01~0x10，同时在主站将保持寄存器的第10个修改为0x04，具体如下：

  接下来我们在主站中修改保持寄存器的值，我们将保持寄存器的值修改为一系列不同的值，具体如下：

  我们可以看到从站的显示数据与主站的设置是一致的。到此我们就完成了对Modbus RTU从站的测试，结果与我们设计的一致。

源码：https://gitee.com/ErichMoonan/modbus-slave

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