基于Qt5的MODBUS協(xié)議編程與實(shí)現(xiàn)

李曉鋒++胡良君+等

摘 要：上位機(jī)軟件編寫在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中是很重要的一環(huán)，一直得到嵌入式工程師的廣泛關(guān)注。文中介紹了采用最新Qt5庫的串口模塊解碼MODBUS數(shù)據(jù)包的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了Qt5的串口編程接口，和用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)踐證明該方法編程簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：QT；串口通信；有限狀態(tài)機(jī)；MODBUS

中圖分類號(hào)： TP311.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）11-138-2

0 引言

在“智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)裝置”研制過程中，需要開發(fā)一款上位機(jī)控制軟件，在一般的嵌入式應(yīng)用開發(fā)中，也總是會(huì)遇到各種上位機(jī)軟件編寫的任務(wù)，上位機(jī)軟件編寫的核心任務(wù)之一是串口通信。傳統(tǒng)的上位機(jī)軟件開發(fā)工具是VB6、VC++一類工具，但VB6過于陳舊不能較好支持微軟新的操作系統(tǒng)，VC++又因?yàn)镸FC的復(fù)雜而很難被嵌入式開發(fā)工程師掌握。因此本文將介紹采用Qt5的串口編程方法，既能輕松掌握，又功能強(qiáng)大。

1 Qt5的串口通信

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++和GUI開發(fā)框架，是一個(gè)模塊化的C++類庫，與Visual C++使用的MFC類庫相比，Qt簡(jiǎn)單方便、功能完善、跨平臺(tái)、擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以用于嵌入式開發(fā)。使用Qt編程的核心優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)美的信號(hào)槽機(jī)制和強(qiáng)大易用的開發(fā)工具Qt Creator。Qt目前最新版本為Qt 5。Qt 5中用于串口通信編程的模塊是類QSerialPort和類QSerialPortInfo。

1.1 串口的枚舉

調(diào)用靜態(tài)方法QSerialPortInfo：：availablePorts（）可以枚舉系統(tǒng)中所有的串口，得到系統(tǒng)中可用串口的QSerialPortInfo對(duì)象列表，通過QSerialPortInfo類可以獲取串口的有關(guān)信息，常用的有方法isBusy（）可用于判斷串口是否處于忙碌狀態(tài)，方法portName（）可用于獲取串口的名稱，也可將QSerialPortInfo對(duì)象作為輸入?yún)?shù)調(diào)用QSerialPort對(duì)象的setPort（）或setPortName（）方法，設(shè)置想要操作的串口設(shè)備。

1.2 串口的初始設(shè)置

與在嵌入式設(shè)備上的串口開發(fā)一致，上位機(jī)中串口通信的第一步也是選擇串口并對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。Qt 5中，用QSerialPort對(duì)象來抽象串口端口，封裝串口有關(guān)的操作。構(gòu)造一個(gè)QSerialPort對(duì)象后，通過setPort（）或setPortName（）方法選擇想要操作的串口設(shè)備，然后使用open（）方法打開該端口，當(dāng)打開成功后，QSerialPort會(huì)嘗試檢測(cè)串口的當(dāng)前配置，并用作為自己的初始設(shè)置，也可使用setBaudRate（）， setDataBits（）， setParity（）， setStopBits（）， and setFlowControl（）方法來重新設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)幀格式、流控模式等通信參數(shù)。將串口設(shè)置為19200波特率、8N1數(shù)據(jù)幀。

1.3 串口數(shù)據(jù)的讀寫

串口通信的核心在于數(shù)據(jù)的收發(fā)，借助于強(qiáng)大的QSerialPort類，只需要使用簡(jiǎn)單的read（）或write（）方法，就可以讀和寫串口了。也可使用readLine（）、readAll（）讀取串口接收到的數(shù)據(jù)，如果沒有一次性讀取完所有收到的數(shù)據(jù)，剩余的數(shù)據(jù)會(huì)存放在QSerialPort的內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，新接收到的數(shù)據(jù)會(huì)附加到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的尾部?？梢允褂胹etReadBufferSize（）方法限制內(nèi)部讀緩沖區(qū)的大小。串口數(shù)據(jù)讀取的另一個(gè)關(guān)鍵是讀取的時(shí)機(jī)的選擇，這通常有兩種選擇，一是用一個(gè)循環(huán)不斷的讀取串口直到接收到所有需要的數(shù)據(jù)，但這會(huì)阻塞掉其他任務(wù)，一般只用于非GUI的應(yīng)用；另一種選擇是使用Qt強(qiáng)大的信號(hào)槽機(jī)制，連接QSerialPort的readyRead（）信號(hào)到自己的串口數(shù)據(jù)讀取槽函數(shù)，這樣串口一旦接收到數(shù)據(jù)，槽函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，在這里可以編寫串口接收數(shù)據(jù)的處理代碼，可以在該函數(shù)中，將收到的數(shù)據(jù)存入一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的解包操作，可參考如下代碼。

void serialRead（）

{

QByteArray bytes；

while（！serial->atEnd（））{

bytes += serial->read（300）；

}

for（int i = 0； i < bytes.count（）； ++i）

dataBuffer.push_back（bytes[i]）；

parseSerialData（）；

}

1.4 關(guān)閉串口

串口操作完成后，需要使用close（）方法，關(guān)閉串口停止I/O操作。

2 MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)可靠的串口通信，還需要一個(gè)可靠的串口通信協(xié)議，MODBUS協(xié)議在工業(yè)界已經(jīng)得到廣泛的運(yùn)用，下文就簡(jiǎn)要介紹一下MODBUS協(xié)議在Qt串口通信中的實(shí)現(xiàn)。

2.1 MODBUS簡(jiǎn)介

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

2.2 MODBUS的消息幀

MODBUS的通用消息幀分為ASCII消息幀和RTU消息幀，其中ASCII消息幀采用LRC縱向冗余校驗(yàn)，RTU消息幀采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。消息幀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 采用狀態(tài)機(jī)方式解碼MODBUS RTU消息幀

實(shí)現(xiàn)MODUBS協(xié)議的關(guān)鍵在于解碼MODBUS 消息幀，考慮到串口通信中可能出現(xiàn)的各種傳輸錯(cuò)誤，可靠的解碼消息幀的方法是使用狀態(tài)機(jī)編程模型。根據(jù)消息幀的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)如下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼操作。（如圖2）

解包程序首先進(jìn)入起始狀態(tài)等待消息頭，每收到一部分?jǐn)?shù)據(jù)就進(jìn)入相應(yīng)的下一個(gè)功能狀態(tài)，接收過程中遇到任何錯(cuò)誤，都簡(jiǎn)單的丟棄掉所有已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)，重新等待下一個(gè)消息幀。

3 結(jié)語

本文介紹了使用Qt5 中串口通信模塊用于MODBUS協(xié)議解包的實(shí)現(xiàn)方法，該設(shè)計(jì)方案已成功用于某課題的電子線路自動(dòng)故障測(cè)試儀的上位機(jī)軟件開發(fā)中，數(shù)據(jù)收發(fā)可靠、穩(wěn)定，較好地滿足了功能需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 霍亞飛.Qt Creator快速入門（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[2] 李曉鋒.AVR單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[3] 李曉鋒，宋銳.有限狀態(tài)機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].廣西輕工業(yè)，2008-04.