[系统运维]Modbus驱动库—libmodbus驱动库的使用

这篇文章是接上一篇Modbus协议简介，介绍Modbus实际项目应用，断断续续写了近两周时间。

为什么要使用驱动库？

上一篇文章，我们介绍了Modbus协议物理层和协议层，我们知道了Modbus是一种总线协议，它可以基于串口或网口，以基于串口的Modbus-RTU为例，我们需要在Windows或Linux下实现一个上位机，上位机的功能是读写Modbus接口传感器设备的数据，或者是和单片机等从设备进行交互。

当需要向某个从机寄存器写入某个值时，如向01地址的设备，0x0105保持寄存器写入1个数据：0x0190为例，那么需要构建这样一个数据帧：

主机发送： 01 06 01 05 01 90 99 CB

01表示从机地址，06功能码表示写单个保持寄存器，0105表示寄存器地址，0190表示写入寄存器的数值，99 CB为CRC校验值。

如果从机正确的收到了数据，会回复一个数据帧：

从机回复： 01 06 01 05 01 90 99 CB

所以作为主机，写数据的流程是：

1. 构建一个Modbus-RTU数据帧

2. 等待从机响应的数据

3. 如果响应数据正确，说明写入成功，否则写入失败。

读数据也是同样的流程，我们可以基于串口发送、串口接收函数、定时器等，自己写一个Modbus驱动库，来实现对从设备的读写。当然，也可以直接使用别人写好的Modbus驱动库，比如libmodbus，本文将介绍如何使用libmodbus驱动库，实现Modbus主机和从机。

libmodbus简介

libmodbus，是一个基于C语言实现的Modbus驱动库，作者是Stephane，支持Linux, Mac OS X, FreeBSD, QNX and Win32操作系统，主要应用在PC上，用来开发上位机，也可以对源代码进行交叉编译，以适配更多的平台，比如ARM Linux。源代码开源，遵循 LGPL-2.1 许可。目前最新版本是3.1.6，Github仓库最新提交时间是2021年5月21日。

官方网站：https://libmodbus.org/

开源地址：https://github.com/stephane/libmodbus/

libmodbus支持如下功能：

• 支持Modbus-RTU和Modbus-TCP
• 支持常用功能码，如01/02/03/04/05/06/07/0F/10/11/16/17
• 支持线圈类型读写、寄存器读写、离散量读取等
• 支持广播地址0，从机地址1-247
• 支持浮点数和整形数据转换，大端小端等多种模式
• 参数根据Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf官方标准文档设计，比如最大读写线圈个数，最大读写寄存器个数等。
• 源代码基于C编写，方便在各平台移植，只有11个文件。

libmodbus常用函数

libmodbus库函数非常简洁，读写操作函数对于RTU和TCP完全通用，RTU和TCP切换只需要修改一行代码就可以实现无缝切换。

modbus_t *mb;
int ret;
//创建一个modbus-rtu对象，指定串口号，波特率，校验位，数据位，停止位
//成功返回指针，否则返回NULL, 会调用malloc申请内存
mb = modbus_new_rtu("/dev/ttySP1", 115200, 'N', 8, 1);	//linux
mb = modbus_new_rtu("COM1", 115200, 'N', 8, 1);		//windows
//创建modbus-tcp对象，指定IP地址和端口号
mb = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 502);	//TCP/IP

//设置从机地址，成功返回0, 否则返回-1
ret = modbus_set_slave(mb, slave);

//连接Modbus主机，成功返回0, 否则返回-1
ret = modbus_connect(mb);

//设置响应超时时间1s,200ms
ret = modbus_set_response_timeout(mb, 1, 200000);

//读取寄存器数据,起始地址2, 数量5, 保存到table数组中
//成功返回5, 否则返回-1
uint16_t *table;
ret = modbus_read_registers(mb, 2, 5, table);

//modbus设备关闭和释放内存
modbus_close(mb);
modbus_free(mb);

//写单个寄存器, 地址2写入56, 成功返回1，否则返回-1
ret = modbus_write_register(mb, 2, 56);

//写多个寄存器, 地址12起始，写入5个数据，成功返回5，否则返回-1
uint16_t table[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
ret = modbus_write_registers(mb, 12, 5, table);

//写单个线圈，线圈地址写入TRUE,成功返回1，否则返回-1
ret = modbus_write_bit(mb, 11, TRUE);

//查看错误信息
char *err_str;
err_str = modbus_strerror(errno);

Windows平台libmodbus 使用

以Windows下使用libmodbus实现从机和主机为例，Linux下类似。

1.获取源代码

使用Git工具下载GitHub代码仓库源代码到本地，这样可以获取到最新的libmodbus代码，但是也会有一些Bug。

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

如果下载速度缓慢，可以到我的Gitee仓库下载：

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

或者到官方仓库下载最新稳定发布版本v3.1.6：

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

下载完成之后，解压到本地，Linux系统可以使用tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz命令行解压：

我们重点关注以下3个文件夹：doc，src，tests。

• doc，doc文件夹包含库的使用文档，文件名就是函数名，介绍每个函数的使用方法，参数定制，返回值说明，示例代码等。

• src，src文件夹是libmodbus库源文件和头文件，我们只需要把这些文件添加到工程中，然后包含头文件就可以直接使用了。

• tests，tests文件夹包含libmodbus使用示例，

包括Modbus-RTU/TCP客户端和服务器单元测试，随机测试，效率测试，读写10万个线圈状态，10万个寄存器，记录消耗时间。

//部分代码
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;

官方提供的测试代码太繁琐，后面我们会写两个简单的示例程序，来演示主机和从机的使用。

2.生成config.h配置文件

无论是Windows还是Linux，在使用libmodbus库之前，我们需要先调用configure工具来生成config.h文件和Makefile。configure工具会根据当前系统环境，生成适用于当前平台的config.h文件。

在libmodbus库文件夹下执行./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

整个过程需要1分钟左右的时间，等待运行完成之后，会发现在当前目录下多了一些文件，主要是config.h和Makefile

如果想使用libmodbus官方提供的测试代码，可以直接在根目录执行make命令，就可以直接编译tests目录下的测试代码，Linux系统可以使用make install命令进行和安装。

3.编写测试代码

新建一个文件夹my_test，把libmodbus/src文件夹中的.c和.h文件，config.h复制到my_test。

学习了libmodbus常用函数之后，我们就可以写一个简单的测试代码了。

Modbus-RTU主机测试：test_rtu_master.c，实现对地址为1的从机设备，读取地址15/16/17的保持寄存器数据，进行+1操作后，再写入。

#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从机测试：test_rtu_slave.c，创建从机设备，地址为1，初始化了3个保持寄存器，地址分别为15/16/17，数据分别为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;
    }
    
    //保持寄存器数据
    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);    //轮询串口数据，
        } while (ret == 0);

        if(ret > 0) //接收到的报文长度
        {
            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.编译测试代码

现学了Makefile语法，凑合用。需要注意的是，windows下libmodbus依赖于ws2_32.dll库，需要添加编译参数-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

最终的文件目录：

Windows下Make工具我使用的是Qt自带的mingw32-make.exe工具，位于\Qt5.7.0\Tools\mingw530_32\bin目录下，执行mingw32-make命令进行，会对两个测试文件进行编译：

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

会在当前目录下生成目标文件：test_rtu_master.exe和test_rtu_slave.exe。

这里，我的电脑本机虚拟了两个串口COM1和COM2，两个串口直接进行连接。

先启动从机设备，配置为COM1：

$ ./test_rtu_slave.exe "COM1"

再启动主机设备，配置为COM2：

$ ./test_rtu_master.exe "COM2"

可以看到，从机可以正确的对接收的数据帧进行相应，主机可以正确的进行读取和写入。

如果需要测试Modbus-TCP，只需要修改modbus设备创建函数：

//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地址

其他无需任何改动！

Linux平台下libmodbus使用

Ubuntu下使用libmodbus和Windows几乎一样：

//1.解压
tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz
    
//2.配置
./configure
    
//3.编译
make
    
//4.安装
make install

测试文件和Windows几乎一样，不过不需要ws2_32库的支持了。

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

ARM平台下libmodbus使用

ARM开发板下使用libmodbus，需要使用交叉编译器进行交叉编译，生成so库文件。

1.解压：

tar -zxvf libmodbus-3.0.6.tar.gz

2.创建安装目录：

mkdir install

3.配置编译选项：

./configure --host=arm-fsl-linux-gnueabi --enable-static --prefix=[安装路径]/install/

4.编译：make

5.安装：make install

在install目录会生成3个文件夹：include lib share

进入install/lib目录，执行file libmodbus*，出现如下打印信息，信息中有“ARM”说明libmodbus库移植成功。

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

将libmodbus.so、libmodbus.so.5、libmodbus.so.5.0.5复制到ARM开发板中的/usr/lib目录下

执行cp libmodbus.so* /usr/lib

如果出现无法创建的问题(cannot create ‘/usr/lib/libmodbus.so*’: Read-only file system)。

可以执行 wr cp libmodbus* /usr/lib

测试与使用，和Windows一样，对测试文件使用ARM交叉编译器进行编译。

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

libmodbus 从机地址限制的问题

libmodbus支持1-247从机地址，0为广播地址，但是有些非标准的Modbus传感器，并不是采用0作为广播地址，而是0xfe作为广播地址：

所以使用libmodbus会出现报错终止运行的问题，这是因为libmodbus源代码中限制了从机地址1-247，我们只需要修改源代码即可。

modbus-rtu.c文件95行：

modbus-tcp.c文件80行：

只需要修改这两个数值就可以取消从机地址限制的问题。

详细的从站最大地址限制问题排查记录，可以查看：

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

其实这个问题，早在2011年，就有人在官方GitHub仓库提Issues了：

https://github.com/stephane/libmodbus/issues/38

对此问题，作者的答复是，为了遵循Modbus官方标准，所以一直以来都没有进行修改。

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