Modbus驅動庫—libmodbus的使用

這篇文章是接上一篇Modbus協議簡介，主要介紹Modbus實際項目應用—libmodbus驅動庫的使用，斷斷續續寫了近一周時間。

都有哪些內容？

為什麼要使用驅動庫

libmodbus簡介

libmodbus常用函數

Windows平臺使用libmodbus

Linux平臺使用libmodbus

ARM平臺使用libmodbus

libmodbus從機地址限制的問題

測試代碼獲取

為什麼要使用驅動庫？

上一篇文章，我們介紹了Modbus協議物理層和協議層，我們知道了Modbus是一種總線協議，它可以基於串口或網口，以基於串口的Modbus-RTU為例，我們需要在Windows或Linux下實現一個上位機，上位機的功能是讀寫Modbus接口傳感器設備的數據，或者是和單片機等從設備進行交互。

當需要向某個從機寄存器寫入某個值時，如向01地址的設備，0x0105保持寄存器寫入1個數據：0x0190為例，那麼需要構建這樣一個數據幀：

主機發送：01 06 01 05 01 90 99 CB

01表示從機地址，06功能碼表示寫單個保持寄存器，0105表示寄存器地址，0190表示寫入寄存器的數值，99 CB為CRC校驗值。

如果從機正確的收到了數據，會回復一個數據幀：

從機回覆：01 06 01 05 01 90 99 CB

所以作為主機，寫數據的流程是：

讀數據也是同樣的流程，我們可以基於串口發送、串口接收函數、定時器等，自己寫一個Modbus驅動庫，來實現對從設備的讀寫。當然，也可以直接使用別人寫好的Modbus驅動庫，比如libmodbus，本文將介紹如何使用libmodbus驅動庫，Windows/Linux/ARM平臺實現Modbus主機和從機。

libmodbus簡介

libmodbus，是一個基於C語言實現的Modbus驅動庫，作者是Stephane，支持Linux, Mac OS X, FreeBSD, QNX and Win32作業系統，主要應用在PC上，用來開發上位機，也可以對原始碼進行交叉編譯，以適配更多的平臺，比如ARM Linux。原始碼開源，遵循 LGPL-2.1 許可。目前最新版本是3.1.6，Github倉庫最新提交時間是2021年5月21日。

官方網站：www.libmodbus.org

開源地址：

github.com/stephane/libmodbus

GitHub倉庫

libmodbus支持如下功能：

支持Modbus-RTU和Modbus-TCP

支持常用功能碼，如01/02/03/04/05/06/07/0F/10/11/16/17

支持線圈類型讀寫、寄存器讀寫、離散量讀取等

支持廣播地址0，從機地址1-247

支持浮點數和整形數據轉換，大端小端等多種模式

參數根據Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf官方標準文檔設計，比如最大讀寫線圈個數，最大讀寫寄存器個數等。

原始碼基於C編寫，方便在各平臺移植，只有11個文件。

libmodbus常用函數

libmodbus庫函數非常簡潔，讀寫操作函數對於RTU和TCP完全通用，RTU和TCP切換隻需要修改一行代碼就可以實現無縫切換。

modbus_t *mb;
int ret;
//創建一個modbus-rtu對象，指定串口號，波特率，校驗位，數據位，停止位
//成功返回指針，否則返回NULL, 會調用malloc申請內存
mb = modbus_new_rtu("/dev/ttySP1", 115200, 'N', 8, 1);    //linux
mb = modbus_new_rtu("COM1", 115200, 'N', 8, 1);        //windows
//創建modbus-tcp對象，指定IP位址和埠號
mb = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 502);    //TCP/IP

//設置從機地址，成功返回0, 否則返回-1
ret = modbus_set_slave(mb, slave);

//連接Modbus主機，成功返回0, 否則返回-1
ret = modbus_connect(mb);

//設置響應超時時間1s,200ms
ret = modbus_set_response_timeout(mb, 1, 200000);

//讀取寄存器數據,起始地址2, 數量5, 保存到table數組中
//成功返回5, 否則返回-1
uint16_t *table;
ret = modbus_read_registers(mb, 2, 5, table);

//modbus設備關閉和釋放內存
modbus_close(mb);
modbus_free(mb);

//寫單個寄存器, 地址2寫入56, 成功返回1，否則返回-1
ret = modbus_write_register(mb, 2, 56);

//寫多個寄存器, 地址12起始，寫入5個數據，成功返回5，否則返回-1
uint16_t table[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
ret = modbus_write_registers(mb, 12, 5, table);

//寫單個線圈，線圈地址寫入TRUE,成功返回1，否則返回-1
ret = modbus_write_bit(mb, 11, TRUE);

//查看錯誤信息
char *err_str;
err_str = modbus_strerror(errno);

Windows平臺libmodbus 使用

以Windows下使用libmodbus實現從機和主機為例，Linux下類似。

1.獲取原始碼

使用Git工具下載GitHub代碼倉庫原始碼到本地，這樣可以獲取到最新的libmodbus代碼，但是也會有一些Bug。

git clone https://github.com/stephane/libmodbus/

如果下載速度緩慢，可以到我的Gitee倉庫下載：

git clone https://gitee.com/whik/libmodbus

或者到官方倉庫下載最新穩定發布版本v3.1.6：

libmodbus.org/releases/libmodbus-3.1.6.tar.gz

下載完成之後，解壓到本地，Linux系統可以使用tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz命令行解壓：

原始碼

我們重點關注以下3個文件夾：doc，src，tests。

幫助文檔原始碼測試代碼

包括Modbus-RTU/TCP客戶端和伺服器單元測試，隨機測試，效率測試，讀寫10萬個線圈狀態，10萬個寄存器，記錄消耗時間。

//部分代碼
nb_points = MODBUS_MAX_READ_BITS;
start = gettime_ms();
for (i=0; i<n_loop; i++) {
    rc = modbus_read_bits(ctx, 0, nb_points, tab_bit);
    if (rc == -1) {
        fprintf(stderr, "%s\n", modbus_strerror(errno));
        return -1;
    }
}
end = gettime_ms();
elapsed = end - start;

官方提供的測試代碼太繁瑣，後面我們會寫兩個簡單的示例程序，來演示主機和從機的使用。

2.生成config.h配置文件

無論是Windows還是Linux，在使用libmodbus庫之前，我們需要先調用configure工具來生成config.h文件和Makefile。configure工具會根據當前系統環境，生成適用於當前平臺的config.h文件。

在libmodbus庫文件夾下執行./configure命令。

whik@windows_7 MINGW64 /d/libmodbus-3.1.6
$ ./configure
checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c
checking whether build environment is sane... yes
checking for strings.h... yes
    ..
checking for inttypes.h... yes
config.status: creating tests/unit-test.h
config.status: executing libtool commands

    libmodbus 3.1.6
    ===============

    prefix:                 /usr/local
    sysconfdir:             ${prefix}/etc
    libdir:                 ${exec_prefix}/lib
    includedir:             ${prefix}/include

    compiler:               gcc
    cflags:                 -g -O2
    ldflags:

    documentation:          no
    tests:                  yes

整個過程需要1分鐘左右的時間，等待運行完成之後，會發現在當前目錄下多了一些文件，主要是config.h和Makefile

如果想使用libmodbus官方提供的測試代碼，可以直接在根目錄執行make命令，就可以直接編譯tests目錄下的測試代碼，Linux系統可以使用make install命令進行和安裝。

3.編寫測試代碼

新建一個文件夾my_test，把libmodbus/src文件夾中的.c和.h文件，config.h複製到my_test。

學習了libmodbus常用函數之後，我們就可以寫一個簡單的測試代碼了。

Modbus-RTU主機測試：test_rtu_master.c，實現對地址為1的從機設備，讀取地址15/16/17的保持寄存器數據，進行+1操作後，再寫入。

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#include "modbus.h"

#define PORT_NAME "COM1"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret;
    uint16_t table[3];
    modbus_t *mb;
    char port[20];
    printf("argc = %d, argv[1] = %s\n", argc, argv[1]);
    if(argc == 2)
        strcpy(port, argv[1]);
    else 
        strcpy(port, PORT_NAME);
    printf("libmodbus modbu-rtu master demo: %s, 115200, N, 8, 1\n", port);

    mb = modbus_new_rtu(port, 115200, 'N', 8, 1);

    if (mb == NULL)
    {
        modbus_free(mb);
        printf("new rtu failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        return 0;
    }

    modbus_set_slave(mb, 1);
    ret = modbus_connect(mb);

    if(ret == -1)
    {
        modbus_close(mb);
        modbus_free(mb);
        printf("connect failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        return 0;
    }
    while(1)
    {
        ret = modbus_read_registers(mb, 0x0F, 3, table);
        if(ret == 3)
            printf("read success : 0x%02x 0x%02x 0x%02x \n", table[0], table[1], table[2]);
        else
        {
            printf("read error: %s\n", modbus_strerror(errno));
            break;
        }

        for(int i = 0; i < 3; i++)
            table[i] += 1;

        ret = modbus_write_registers(mb, 0x0F, 3, table);
        if(ret == 3)
            printf("write success: 0x%02x 0x%02x 0x%02x \n", table[0], table[1], table[2]);
        else
        {
            printf("write error: %s\n", modbus_strerror(errno));
            break;
        }
        Sleep(1000);
    }

    modbus_close(mb);
    modbus_free(mb);
    system("pause");
    return 0;
}

Modbus-RTU從機測試：test_rtu_slave.c，創建從機設備，地址為1，初始化了3個保持寄存器，地址分別為15/16/17，數據分別為0x1001/0x1002/0x1003。

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#include "modbus.h"

#define PORT_NAME "COM2"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
    uint8_t device = 1;
    uint8_t *query;
    modbus_t *mb;
    modbus_mapping_t *mb_mapping;
    char port[20];
    printf("argc = %d, argv[1] = %s\n", argc, argv[1]);
    if(argc == 2)
        strcpy(port, argv[1]);
    else 
        strcpy(port, PORT_NAME);

    printf("libmodbus modbu-rtu slave demo: %s, 115200, N, 8, 1\n", port);

    mb = modbus_new_rtu(port, 115200, 'N', 8, 1);

    if (mb == NULL)
    {
        modbus_free(mb);
        printf("new rtu failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        return 0;
    }

    //register: 15/16/17
    mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(0, 0, 0, 0, 15, 3, 0, 0);
    if(mb_mapping == NULL)
    {
        modbus_free(mb);
        printf("new mapping failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        return 0;
    }

    //保持寄存器數據
    mb_mapping->tab_registers[0] = 0x1001;
    mb_mapping->tab_registers[1] = 0x1002;
    mb_mapping->tab_registers[2] = 0x1003;

    modbus_set_slave(mb, device);
    ret = modbus_connect(mb);

    if(ret == -1)
    {
        modbus_free(mb);
        printf("connect failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        return 0;
    }
    printf("create modbus slave success\n");
    while(1)
    {
        do {
            ret = modbus_receive(mb, query);    //輪詢串口數據，
        } while (ret == 0);

        if(ret > 0) //接收到的報文長度
        {
            printf("len=%02d: ", ret);
            for(int idx = 0; idx < ret; idx++)
            {
                printf(" %02x", query[idx]);
            }
            printf("\n");

            modbus_reply(mb, query, ret, mb_mapping);
        }
        else
        {
            printf("quit the loop: %s", modbus_strerror(errno));
            modbus_mapping_free(mb_mapping);
            break;
        }
    }

    modbus_close(mb);
    modbus_free(mb);
    return 0;
}

4.編譯測試代碼

現學了Makefile語法，湊合用。需要注意的是，windows下libmodbus依賴於ws2_32.dll庫，需要添加編譯參數-lws2_32：

.PHONY: all

all: test_rtu_master test_rtu_slave
test_rtu_master : test_rtu_master.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o 
    gcc test_rtu_master.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o -o test_rtu_master -lws2_32
test_rtu_slave : test_rtu_slave.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o 
    gcc test_rtu_slave.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o -o test_rtu_slave -lws2_32

test_rtu_slave.o : test_rtu_slave.c
    gcc test_rtu_slave.c -c -I.
test_rtu_master.o : test_rtu_master.c
    gcc test_rtu_master.c -c -I.
modbus.o : modbus.c
    gcc modbus.c -c -I.
modbus-rtu.o : modbus-rtu.c
    gcc modbus-rtu.c -c -I.
modbus-tcp.o : modbus-tcp.c
    gcc modbus-tcp.c -c -I.
modbus-data.o : modbus-data.c
    gcc modbus-data.c -c -I.

clean:
    rm -rf *.o *.exe

最終的文件目錄：

測試文件

Windows下Make工具我使用的是Qt自帶的mingw32-make.exe工具，位於\Qt5.7.0\Tools\mingw530_32\bin目錄下，執行mingw32-make命令進行，會對兩個測試文件進行編譯：

whik@Windows_7 MINGW64 /d/my_test
$ mingw32-make.exe
gcc test_rtu_master.c -c -I.
gcc modbus.c -c -I.
gcc modbus-tcp.c -c -I.
gcc modbus-rtu.c -c -I.
gcc modbus-data.c -c -I.
In file included from modbus-data.c:24:0:
./config.h:171:0: warning: "WINVER" redefined
 #define WINVER 0x0501
 ^
In file included from D:/Program/Qt5.7.0/Tools/mingw530_32/i686-w64-mingw32/include/windows.h:10:0,
                 from D:/Program/Qt5.7.0/Tools/mingw530_32/i686-w64-mingw32/include/winsock2.h:23,
                 from modbus-data.c:19:
D:/Program/Qt5.7.0/Tools/mingw530_32/i686-w64-mingw32/include/sdkddkver.h:162:0: note: this is the location of the previous definition
 #define WINVER  _WIN32_WINNT
 ^
gcc test_rtu_master.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o -o test_rtu_master -lws2_32
gcc test_rtu_slave.c -c -I.
gcc test_rtu_slave.o modbus.o modbus-tcp.o modbus-rtu.o modbus-data.o -o test_rtu_slave -lws2_32

會在當前目錄下生成目標文件：test_rtu_master.exe和test_rtu_slave.exe。

這裡，我的電腦本機虛擬了兩個串口COM1和COM2，兩個串口直接進行連接。

先啟動從機設備，配置為COM1：

$ ./test_rtu_slave.exe "COM1"

再啟動主機設備，配置為COM2：

$ ./test_rtu_master.exe "COM2"

測試結果

可以看到，從機可以正確的對接收的數據幀進行相應，主機可以正確的進行讀取和寫入。

如果需要測試Modbus-TCP，只需要修改modbus設備創建函數：

//modbus-rtu
mb = modbus_new_rtu(port, 115200, 'N', 8, 1);

//modbus-tcp
mb = modbus_new_tcp("127.0.0.120", 502);    //指定IP位址

其他無需任何改動！

Linux平臺下libmodbus使用

Ubuntu下使用libmodbus和Windows幾乎一樣：

//1.解壓
tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz

//2.配置
./configure

//3.編譯
make

//4.安裝
make install

測試文件和Windows幾乎一樣，不過不需要ws2_32庫的支持了。

（來自：blog.csdn.net/qq_30650153/article/details/83385626）

ARM平臺下libmodbus使用

ARM開發板下使用libmodbus，需要使用交叉編譯器進行交叉編譯，生成so庫文件。

1.解壓：

tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz

2.創建安裝目錄：

mkdir install

3.配置編譯選項：

./configure --host=arm-fsl-linux-gnueabi --enable-static --prefix=[安裝路徑]/install/

4.編譯：make

5.安裝：make install

在install目錄會生成3個文件夾：include lib share

進入install/lib目錄，執行file libmodbus*，出現如下列印信息，信息中有「ARM」說明libmodbus庫移植成功。

libmodbus.a:        current ar archive
libmodbus.la:       libtool library file, 
libmodbus.so:       symbolic link to `libmodbus.so.5.0.5'
libmodbus.so.5:     symbolic link to `libmodbus.so.5.0.5'
libmodbus.so.5.0.5: ELF 32-bit LSB shared object, ARM, version 1 (SYSV), dynamically linked, not stripped

將libmodbus.so、libmodbus.so.5、libmodbus.so.5.0.5複製到ARM開發板中的/usr/lib目錄下

執行cp libmodbus.so* /usr/lib

如果出現無法創建的問題(cannot create 『/usr/lib/libmodbus.so*』: Read-only file system)。

可以執行 wr cp libmodbus* /usr/lib

測試與使用，和Windows一樣，對測試文件使用ARM交叉編譯器進行編譯。

(來自：www.cnblogs.com/happybirthdaytoyou/p/11301612.html)

libmodbus 從機地址限制的問題

libmodbus支持1-247從機地址，0為廣播地址，但是有些非標準的Modbus傳感器，並不是採用0作為廣播地址，而是0xfe作為廣播地址：

廣播地址0xfe

所以使用libmodbus會出現報錯終止運行的問題，這是因為libmodbus原始碼中限制了從機地址1-247，我們只需要修改原始碼即可。

modbus-rtu.c文件95行：

modbus-rtu

modbus-tcp.c文件80行：

modbus-tcp

只需要修改這兩個數值就可以取消從機地址限制的問題。

詳細的從站最大地址限制問題排查記錄，可以查看：

blog.csdn.net/qingzhuyuxian/article/details/80391553

其實這個問題，早在2011年，就有人在官方GitHub倉庫提Issues了：

github.com/stephane/libmodbus/issues/38

issue

對此問題，作者的答覆是，為了遵循Modbus官方標準，所以一直以來都沒有進行修改。

測試代碼獲取

關注公眾號：電子電路開發學習（ID：mcu149），後臺回復【libmodbus】獲取文中介紹的兩個測試文件、Makefile和我修改好從機地址最大值的驅動庫。

（建議複製過去不會錯）

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