使用 libmodbus 实现 Modbus 通信

Modbus 是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，支持串行通信（如 RS-232、RS-485）和以太网通信（如 TCP/IP）。libmodbus 是一个开源的 C 库，提供了对 Modbus 协议的完整支持，使开发者能够轻松实现 Modbus 主站（Master）和从站（Slave）功能。

本文将详细介绍 libmodbus 的核心功能、使用方法以及如何利用它实现 Modbus 通信。

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1. 什么是 libmodbus？

libmodbus 是一个用 C 语言编写的开源库，支持以下功能：

• Modbus RTU：基于串行通信（如 RS-232、RS-485）。
• Modbus TCP：基于以太网通信（TCP/IP）。
• Modbus ASCII：基于 ASCII 编码的串行通信。
• 主站和从站功能：支持 Modbus 主站（Master）和从站（Slave）的实现。

libmodbus 具有以下优点：

• 跨平台：支持 Linux、Windows、macOS 等操作系统。
• 易用性：提供了简洁的 API，方便开发者快速上手。
• 高性能：基于事件驱动模型，支持高并发通信。

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2. 安装 libmodbus

在开始使用 libmodbus 之前，需要先安装它。

在 Ubuntu 上安装

sudo apt-get install libmodbus-dev

在 macOS 上安装

brew install libmodbus

在 Windows 上安装

可以从 libmodbus 官方网站 下载预编译的二进制文件，或者使用 vcpkg：

vcpkg install libmodbus

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3. 核心功能

1. 创建 Modbus 上下文

libmodbus 使用上下文（Context）来管理 Modbus 通信。根据通信方式的不同，可以选择创建 RTU 或 TCP 上下文。

创建 RTU 上下文

modbus_t *ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyUSB0", 9600, 'N', 8, 1);
if (!ctx) {
    fprintf(stderr, "Failed to create RTU context\n");
    return -1;
}

创建 TCP 上下文

modbus_t *ctx = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 502);
if (!ctx) {
    fprintf(stderr, "Failed to create TCP context\n");
    return -1;
}

2. 设置从站地址

在 Modbus 通信中，主站需要指定从站地址。

int slave_id = 1;
if (modbus_set_slave(ctx, slave_id) == -1) {
    fprintf(stderr, "Failed to set slave ID\n");
    return -1;
}

3. 连接 Modbus 设备

在创建上下文后，需要连接到 Modbus 设备。

if (modbus_connect(ctx) == -1) {
    fprintf(stderr, "Connection failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
    modbus_free(ctx);
    return -1;
}

4. 读写寄存器

libmodbus 提供了以下函数用于读写寄存器：

• modbus_read_bits：读取线圈状态（0x01 功能码）。
• modbus_read_input_bits：读取离散输入状态（0x02 功能码）。
• modbus_read_registers：读取保持寄存器（0x03 功能码）。
• modbus_read_input_registers：读取输入寄存器（0x04 功能码）。
• modbus_write_bit：写入单个线圈（0x05 功能码）。
• modbus_write_register：写入单个保持寄存器（0x06 功能码）。
• modbus_write_bits：写入多个线圈（0x0F 功能码）。
• modbus_write_registers：写入多个保持寄存器（0x10 功能码）。

示例：读取保持寄存器

uint16_t tab_reg[10];
int rc = modbus_read_registers(ctx, 0, 10, tab_reg);
if (rc == -1) {
    fprintf(stderr, "Failed to read registers: %s\n", modbus_strerror(errno));
    return -1;
}

for (int i = 0; i < rc; i++) {
    printf("Register %d: %d\n", i, tab_reg[i]);
}

示例：写入保持寄存器

uint16_t value = 1234;
if (modbus_write_register(ctx, 0, value) == -1) {
    fprintf(stderr, "Failed to write register: %s\n", modbus_strerror(errno));
    return -1;
}

5. 关闭连接和释放资源

在通信结束后，需要关闭连接并释放资源。

modbus_close(ctx);
modbus_free(ctx);

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4. 示例代码

以下是一个完整的 Modbus TCP 主站示例，读取从站的保持寄存器并打印结果。

#include <modbus/modbus.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 创建 TCP 上下文
    modbus_t *ctx = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 502);
    if (!ctx) {
        fprintf(stderr, "Failed to create TCP context\n");
        return -1;
    }

    // 设置从站地址
    if (modbus_set_slave(ctx, 1) == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to set slave ID\n");
        modbus_free(ctx);
        return -1;
    }

    // 连接到 Modbus 设备
    if (modbus_connect(ctx) == -1) {
        fprintf(stderr, "Connection failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        modbus_free(ctx);
        return -1;
    }

    // 读取保持寄存器
    uint16_t tab_reg[10];
    int rc = modbus_read_registers(ctx, 0, 10, tab_reg);
    if (rc == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to read registers: %s\n", modbus_strerror(errno));
        modbus_close(ctx);
        modbus_free(ctx);
        return -1;
    }

    // 打印寄存器值
    for (int i = 0; i < rc; i++) {
        printf("Register %d: %d\n", i, tab_reg[i]);
    }

    // 关闭连接并释放资源
    modbus_close(ctx);
    modbus_free(ctx);

    return 0;
}

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5. 实际应用场景

1. 工业自动化

libmodbus 可以用于与 PLC、传感器、执行器等设备进行通信，实现数据采集和控制。

2. 能源管理

通过 Modbus 协议，可以读取电表、水表等设备的能耗数据，实现能源管理。

3. 智能家居

libmodbus 可以用于与智能家居设备（如智能灯光、温控器）进行通信，实现远程控制。

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6. 总结

libmodbus 是一个功能强大且易于使用的 Modbus 通信库，支持 RTU 和 TCP 协议，适用于多种应用场景。通过它，开发者可以轻松实现 Modbus 主站和从站功能，并与工业设备进行高效通信。

希望本文能帮助你快速上手 libmodbus，并将其应用到实际项目中。如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言！

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参考文档

• libmodbus 官方网站
• libmodbus GitHub 仓库
• libmodbus 官方文档

Happy coding! 🚀