Modbus 通信教程

本教程利用QT实现86开发板通过Modbus协议控制硬件及读写寄存器，旨在搭建一个界面控制硬件的完整示例。

1.Modbus

在项目设计之前，我们需要对于Modbus有一个了解，方便后续逻辑的开发设计。

Modbus协议概述

Modbus协议采用主从（Master-Slave）架构，通信总是由主设备发起，从设备响应。主设备可以单独与某个从设备通信，也可以广播消息给所有从设备。从设备对主设备的请求作出响应，但不会主动发起通信。 Modbus有两种传输模式：

ASCII模式：每个8位字节被拆分成两个ASCII字符发送，使用LRC（纵向冗余校验）校验。
RTU模式：每个字节作为一个8位二进制值发送，使用CRC（循环冗余校验）校验。RTU模式更常用。

此外，还有基于TCP/IP的Modbus TCP协议，它在以太网上运行，使用TCP端口502。

Modbus数据模型

Modbus将数据组织成四个独立的数据块：

线圈（Coils）：可读写，1位（bit）数据，通常用于控制数字输出。功能码：读（01），写单个（05），写多个（15）。
离散输入（Discrete Inputs）：只读，1位数据，通常用于读取数字输入。功能码：读（02）。
输入寄存器（Input Registers）：只读，16位（word）数据，通常用于读取模拟输入。功能码：读（04）。
保持寄存器（Holding Registers）：可读写，16位数据，通常用于存储参数或控制模拟输出。功能码：读（03），写单个（06），写多个（16）。

Modbus RTU报文结构

一个Modbus RTU报文由以下部分组成：

地址域：1字节，从设备地址（0-247），0为广播地址。
功能码：1字节，指示操作类型（如读线圈、写寄存器等）。
数据域：可变长度，取决于功能码。
校验码：2字节，CRC校验。

Modbus TCP报文结构

Modbus TCP在RTU的基础上添加了MBAP（Modbus Application Protocol）报文头：

[事务标识符] [2字节]：用于事务匹配，由客户端生成，服务器响应时复制。
[协议标识符] [2字节]：0表示Modbus协议。
[长度] [2字节]：后续字节数（包括单元标识符和数据域）。
[单元标识符] [1字节]：从站地址（在TCP中通常用于路由到后端设备，如果不需要则设为0）。
[功能码] [1字节]：同RTU模式。
[数据域] [可变]：同RTU模式。

总结

Modbus协议简单、开放、易于实现，因此被广泛采用。它支持串行和以太网通信，适用于各种工业自动化场景。在使用时，注意主从架构、数据模型、功能码定义以及错误处理。

2.项目整体概述

2.1界面概述

界面	功能	描述
主界面	显示子界面和标签	显示链接界面和控制界面，并设计二者的切换。
链接界面	显示链接配置界面	显示RTU和TCP配置信息，提供用户修改配置及链接功能。
控制界面	显示命令界面及功能子界面	提供选择Modbus数据模型，功能按钮以及切换功能子界面。
功能子界面	显示线圈，离散输入，输入寄存器，保持寄存器功能界面	提供线圈控制，离散输入和输入寄存器读取，以及保持寄存器读取和写入功能。

2.2 所需硬件及连线

2.2.1 86盒开发板

86开发板作为我们整体项目的控制核心，除了需要再触控面板上显示界面，我们还需要其与其他硬件连线，如下:
alt text

RJ45接口：通过网线链接对应硬件，实现Modbus TCP通信。
RS485接口:链接对应硬件，实现 Modbus RTU通信。注意：由于主控供电和宽电压供电隔离，在开发面板用type-c供电后，仍需要对上图电源接口供电。

2.2 Modbus RTU Relay

86开发板通过RS485接口，与Modbus RTU Relay链接，如下：
alt text 链接之后，通过RS485控制8个继电器通道，以继电器状态来判断指令有没有发送成功。

2.3RS485转RJ45以太网模块

为了测试Modbus TCP，我们需要将86开发板的RJ45网线接口接口与如下模块链接：
alt text 将RJ45网线接口与开发板链接，RS485接口与Modbus RTU Relay链接，通过该模块对二者的转换，并同样以继电器状态来判断指令有没有发送成功。

3.准备工作及创建工程

环境配置

由于项目需要用的Modbus的相关库函数，因此需要在SDK中选中相应选项，并将镜像烧录到开发板中。添加Modbus库：
alt text 编译SDK，并将output/image/目录下文件烧录到开发板中。

创建工程

打开QT并新建项目：
alt text

选择64位kit(方便预览)，以及86开发板SDK交叉编译环境kit。新建项目完成后，整体工程如下：
widget作为项目的整体主界面，用于显示子界面等功能，具体设计后续会介绍，目前我们先着重于子界面的设计。

4.链接界面

4.1添加链接界面类

右键工程，添加新文件。
选择类文件。
填入类名conncrtion,并选择继承与QWidget
添加完成后，会在工程中生成对应的源文件与头文件。

4.2界面具体设计

4.2.1创建RTU组

QGroupBox *connection::createRtuGroup()
{
    QGroupBox *groupBox = new QGroupBox("RTU (Serial) Configuration");
    QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(groupBox);
    layout->setSpacing(15);
    // Serial port
    serialPortCombo = new QComboBox();
    serialPortCombo->addItems({"/dev/ttyS0", "/dev/ttyS1", "/dev/ttyS2", "/dev/ttyS3", "/dev/ttyS4"});
    serialPortCombo->setCurrentIndex(4);
    // Baud rate
    baudEdit = new QLineEdit("9600");
    // Data bits
    dataBitsCombo = new QComboBox();
    dataBitsCombo->addItems({"8 Data bits", "7 Data bits"});
    // Parity
    parityCombo = new QComboBox();
    parityCombo->addItems({"No Parity", "Odd Parity", "Even Parity"});
    // Stop bits
    stopBitsCombo = new QComboBox();
    stopBitsCombo->addItems({"1 Stop Bit", "2 Stop Bits"});
    // Connect button
    serialConnectBtn = new QPushButton("Disconnected");
    connect(serialConnectBtn, &QPushButton::clicked, this, &connection::onSerialConnectClicked);
    // Form layout
    QFormLayout *formLayout = new QFormLayout();
    formLayout->setSpacing(18);
    formLayout->addRow(serialPortCombo);
    formLayout->addRow(baudEdit);
    formLayout->addRow(dataBitsCombo);
    formLayout->addRow(parityCombo);
    formLayout->addRow(stopBitsCombo);
    layout->addLayout(formLayout);
    layout->addStretch();
    layout->addWidget(serialConnectBtn);
    return groupBox;
}

代码功能分析：

配置项	控件类型	初始值/选项	默认值/选中项
串口号	QComboBox	"/dev/ttyS0", "/dev/ttyS1", "/dev/ttyS2", "/dev/ttyS3", "/dev/ttyS4"	"/dev/ttyS4" (索引4)
波特率	QLineEdit	"9600"
数据位	QComboBox	"8 Data bits", "7 Data bits"	第一项（8位）
校验位	QComboBox	"No Parity", "Odd Parity", "Even Parity"	第一项（无校验）
停止位	QComboBox	"1 Stop Bit", "2 Stop Bits"	第一项（1位）
连接按钮	QPushButton	"Disconnected"

布局结构：

组框使用垂直布局（QVBoxLayout）。
- 首先添加表单布局（QFormLayout），表单布局中包含5行，每行一个配置项。
- 然后添加一个伸缩项（addStretch），这样后面的按钮会位于底部。
- 最后添加连接按钮。

信号连接：

当连接按钮被点击时，会触发connection::onSerialConnectClicked槽函数。

4.2.2创建TCP组

QGroupBox *connection::createTcpGroup()
{
    QGroupBox *groupBox = new QGroupBox("TCP Configuration");
    QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(groupBox);
    layout->setSpacing(15);
    // Mode selection
    modeCombo = new QComboBox();
    modeCombo->addItems({"Slave", "Master"});
    modeCombo->setCurrentIndex(0);
    // IP address
    ipEdit = new QLineEdit("192.168.1.200");
    // Port
    portEdit = new QLineEdit("502");
    // Connect button
    tcpConnectBtn = new QPushButton("Disconnected");
    connect(tcpConnectBtn, &QPushButton::clicked, this, &connection::onTcpConnectClicked);
    // Form layout
    QFormLayout *formLayout = new QFormLayout();
    formLayout->setSpacing(18);
    formLayout->addRow(modeCombo);
    formLayout->addRow(ipEdit);
    formLayout->addRow(portEdit);
    layout->addLayout(formLayout);
    layout->addStretch();
    layout->addWidget(tcpConnectBtn);
    return groupBox;
}

代码功能分析：

配置项	控件类型	初始值/选项	默认值/选中项
工作模式	QComboBox	"Slave", "Master" "Slave" (索引0)	选择设备作为主站或从站
IP地址	QLineEdit	"192.168.1.200"	TCP通信的目标IP地址
端口号	QLineEdit	"502"	Modbus TCP标准端口
连接按钮	QPushButton	"Disconnected"	控制TCP连接的按钮

布局结构：

组框使用垂直布局（QVBoxLayout）。
- 首先添加表单布局（QFormLayout），表单布局中包含3行，每行一个配置项。
- 然后添加一个伸缩项（addStretch），这样后面的按钮会位于底部。
- 添加链接按钮。

信号链接：

- 当连接按钮被点击时，会触发`connection::onTcpConnectClicked`槽函数。

4.2.3整体布局

void connection::setupUI()
{
    QVBoxLayout *mainLayout = new QVBoxLayout(this);
    mainLayout->setSpacing(20);
    mainLayout->setContentsMargins(25, 25, 105, 25);
    // Horizontal layout for RTU and TCP sections
    QHBoxLayout *contentLayout = new QHBoxLayout();
    contentLayout->setSpacing(30);
    // RTU Section (left)
    QGroupBox *rtuGroup = createRtuGroup();
    contentLayout->addWidget(rtuGroup);
    // TCP Section (right)
    QGroupBox *tcpGroup = createTcpGroup();
    contentLayout->addWidget(tcpGroup);
    mainLayout->addLayout(contentLayout,2);

    // Status bar
    statusLabel = new QLabel(""); 
    statusLabel->setFrameShape(QFrame::NoFrame); 
    statusLabel->setStyleSheet("background-color: transparent;");
    statusLabel->setMinimumHeight(30);
    mainLayout->addWidget(statusLabel,1);
}

代码功能分析：

设定水平布局(QHBoxLayout),将RTU组与TCP组分别布局于整体界面的左右两侧.

至此，链接界面的界面UI便设计完毕，在链接界面类的构造函数调用setupUI(),并在主界面Widger中实例化链接界面对象，利用show()显示链接界面对象，预览效果如下:
alt text

4.3链接功能实现

4.3.1 RTU链接功能实现

void connection::serialModbusInit()
{
    QString port = serialPortCombo->currentText();
    if (port.isEmpty()) {
        qWarning() << "Serial port not selected";
        return;
    }
    bool baudOk;
    int baud = baudEdit->text().toInt(&baudOk);
    if (!baudOk || baud <= 0) {
        qWarning() << "Invalid baud rate, using default 9600";
        baud = 9600;
    }
    char parity = 'N'; 
    QString parityText = parityCombo->currentText();
    if (parityText.contains("Odd", Qt::CaseInsensitive)) {
        parity = 'O';
    } else if (parityText.contains("Even", Qt::CaseInsensitive)) {
        parity = 'E';
    }
    int dataBits = 8;
    QString dataBitsText = dataBitsCombo->currentText();
    QRegularExpression re("\\d+");
    QRegularExpressionMatch match = re.match(dataBitsText);
    if (match.hasMatch()) {
        dataBits = match.captured(0).toInt();
    }
    if (dataBits != 7 && dataBits != 8) {
        qWarning() << "Invalid data bits, using 8";
        dataBits = 8;
    }
    int stopbits = 1;
    QString stopBitsText = stopBitsCombo->currentText();
    if (stopBitsText.contains("2") ||
            stopBitsText.contains("Two", Qt::CaseInsensitive)) {
        stopbits = 2;
    }
    serial_mb = modbus_new_rtu(
                port.toUtf8().constData(),
                baud,
                parity,
                dataBits,
                stopbits
                );
    if (!serial_mb) {
        qCritical() << "Unable to create Modbus RTU context";
        return;
    }
    modbus_set_debug(serial_mb, 1);
}

int connection::serialModbusConnect(void){
    return  modbus_connect(serial_mb);
}

void connection::serialModbusDisconnect(void){
    modbus_close(serial_mb);
    modbus_free(serial_mb);
}

void connection::onSerialConnectClicked()
{
    serialModbusInit();

    if (serialConnectBtn->isChecked()) {
        if (serialModbusConnect() == 0) {
            serialConnectBtn->setText("Connected");
            emit modbusConnectionEstablished(static_cast<void*>(serial_mb));
        } else {
            qDebug() << "serial failed";
            serialConnectBtn->setChecked(false);
        }
    } else {
        serialModbusDisconnect();
        serialConnectBtn->setText("Disconnected");
        emit modbusDisconnected(static_cast<void*>(serial_mb));
    }
}

代码功能分析：

获取用户RTU配置，包括串口号，波特率，校验位，数据位，停止位。
modbus_new_rtu使用获取的参数创建 Modbus RTU 上下文，并设置调试模式。
处理串口连接按钮的点击事件，实现连接建立与断开的功能，通过serialModbusConnect判断创建是否成功，成功更新链接按钮文本位Connected表示已链接，否则保持原样，并且发送对应的信号。

4.3.2 TCP链接功能实现

int connection::tcpModbusConnect() {
    return modbus_connect(mb);
}

void connection::tcpModbusDisconnect() {
    modbus_close(mb);
}

void connection::onTcpConnectClicked()
{
    mb = modbus_new_tcp(ipEdit->text().toUtf8(), portEdit->text().toInt());
    modbus_set_debug(mb, 1);

    if (tcpConnectBtn->isChecked()) {
        if (tcpModbusConnect() == 0) {
            tcpConnectBtn->setText("Connected");
            emit modbusConnectionEstablished(static_cast<void*>(mb));
        } else {
            qDebug() << "connect tcp failed";
            tcpConnectBtn->setChecked(false); 
        }
    } else {
        tcpModbusDisconnect();
        tcpConnectBtn->setText("Disconnected");
        emit modbusDisconnected(static_cast<void*>(mb));
    }
}

代码功能分析：

获取ip及port，创建Modbus Tcp上下文。
调用tcpModbusConnect判断是否链接，链接成功发送modbusConnectionEstablished信号，再次点击触发断开链接处理。

5.控制界面

5.1添加控制界面类

与链接界面类似，在工程中添加名为mcontrol类作为控制界面，生成对应的源文件和头文件。

5.2控制界面设计

由于控制界面与包含的功能界面涉及的控件较多，为了方便访问，对于控制界面的UI设计，采用了QT Designer配合代码方式，如下:
alt text

mcontrol::mcontrol(QWidget *parent) :
    QWidget(parent),
    ui(new Ui::mcontrol),
    gridLayout(nullptr)
{
    ui->setupUi(this);

    ui->btn_control->setStyleSheet(
                "QPushButton {"
                "   background: qlineargradient(x1:0, y1:0, x2:0, y2:1,"
                "                   stop:0 rgba(255, 119, 0, 0.3),"
                "                   stop:1 rgba(255, 119, 0, 0.1));"
                "   border: 2px solid #FF7700;"
                "   border-radius: 10px;"
                "   color: white;"
                "   padding: 8px 16px;"
                "   font-weight: bold;"
                "   text-shadow: 1px 1px 2px rgba(0, 0, 0, 0.7);"
                "}"
                "QPushButton:hover {"
                "   background: qlineargradient(x1:0, y1:0, x2:0, y2:1,"
                "                   stop:0 rgba(255, 119, 0, 0.4),"
                "                   stop:1 rgba(255, 119, 0, 0.2));"
                "   border: 2px solid #FF9900;"
                "}"
                "QPushButton:pressed {"
                "   background: qlineargradient(x1:0, y1:0, x2:0, y2:1,"
                "                   stop:0 rgba(255, 85, 0, 0.5),"
                "                   stop:1 rgba(255, 85, 0, 0.3));"
                "   border: 2px solid #FF5500;"
                "}"
                );
    ui->btn_control->setText("Read Coils");
    ui->btn_control->setCheckable(true);
    ui->le_quantity->setText("0");
    ui->le_address->setText("0");
    ui->le_slaveid->setText("0");

    gridLayout = new QGridLayout(ui->Coilsbox);
    gridLayout->setSpacing(5);
    ui->Coilsbox->setLayout(gridLayout);
    resgistertable.tableWidget->hide();

    ....
}

代码功能分析：

初始化各控件显示样式及文本框内容，包括按钮的显示，按下松开样式，地址等文本框默认显示，设置功能显示区域。

预览界面如下：
alt text

5.3功能子界面设计

5.3.1线圈界面

创建线圈界面类

在工程项目中添加名为coilswidget类作为线圈界面。

    CoilsContainer::CoilsContainer(QWidget *parent)
    : QWidget(parent), gridLayout(new QGridLayout(this))
{
    setLayout(gridLayout);
    gridLayout->setSpacing(10);
    gridLayout->setContentsMargins(5, 5, 5, 5);

    styleNormal = "QPushButton {"
                  "  border: 2px solid #FF8C00;"
                  "  border-radius: 10px;"
                  "  background-color: transparent;"
                  "}"
                  "QPushButton:hover {"
                  "  background-color: rgba(255, 140, 0, 0.1);"
                  "}";

    stylePressed = "QPushButton {"
                   "  border: 2px solid #FF8C00;"
                   "  border-radius: 10px;"
                   "  background-color: #FF8C00;"
                   "  color: white;"
                   "}";
 
    readOnlyOnStyle = "QPushButton {"
                      "  background-color: white;"
                      "  border: 2px solid #FF8C00;"
                      "  border-radius: 10px;"
                      "}";

    readOnlyOffStyle = "QPushButton {"
                       "  background-color: transparent;"
                       "  border: 2px solid #FF8C00;"
                       "  border-radius: 10px;"
                       "}";
}

代码功能分析：

线圈界面设计说明
- 构造函数功能
- 仅完成基础布局设计
- 设置字符串样式类型
- 未实现具体显示内容配置
设计原因
- 线圈界面作为功能子界面
- 具体显示内容需由控制界面动态配置
接口需求
- 线圈界面类需提供配置接口
- 供控制界面调用以实现：
  - 显示参数传递
  - 内容动态更新

实现配置接口

void CoilsContainer::setQuantity(int quantity) {
    if (quantity == buttons.size()) return;

    for (QPushButton *btn : buttons) {
        gridLayout->removeWidget(btn);
        delete btn;
    }
    buttons.clear();
    coilStates.clear();

    if (quantity <= 0) return;

    int cols = qMin(4, quantity);
    int rows = (quantity + cols - 1) / cols;

    for (int i = 0; i < quantity; ++i) {
        QPushButton *btn = new QPushButton(textFormat.arg(i + 1), this);
        btn->setCheckable(true);
        btn->setMinimumSize(80, 30);
        btn->setStyleSheet(styleNormal);

        int row = i / cols;
        int col = i % cols;
        gridLayout->addWidget(btn, row, col);

        connect(btn, &QPushButton::clicked, [this, btn]() {
            bool isChecked = btn->isChecked();
            coilStates[btn] = isChecked;
            if (isChecked) {
                btn->setStyleSheet(stylePressed);
            } else {
                btn->setStyleSheet(styleNormal);
            }
            int index = buttons.indexOf(btn);
            if (index != -1) {
                emit coilClicked(index, isChecked);
            }
        });
        buttons.append(btn);
        coilStates[btn] = false;
    }
}

//mcontrol.cpp
connect(ui->le_quantity, &QLineEdit::textChanged, [this](const QString &text) {
        bool ok;
        int quantity = text.toInt(&ok);
        if (ok && quantity > 0) {
            coilsContainer->setQuantity(quantity);
        }
});

代码功能分析： 根据设定的线圈数量（quantity）动态创建和排列按钮，每个按钮代表一个线圈状态。

逻辑步骤
1. 检查数量是否变化：如果新数量与当前按钮数量相同，则直接返回。
2. 清理现有按钮：从布局中移除并删除所有现有按钮，清空按钮列表和状态映射。
3. 处理无效数量：如果数量小于等于0，则直接返回（此时已清空界面）。
4. 计算网格布局：
  - 列数（cols）取4和数量中的较小值（即最多4列）。
  - 行数（rows）根据数量和列数计算（向上取整）。
5. 创建新按钮：
  - 循环创建quantity个按钮。
  - 按钮文本根据textFormat格式化（如"Coil %1"），参数为索引+1（从1开始）。
  - 设置按钮可选中（checkable），最小尺寸，以及初始样式（styleNormal）。
  - 根据计算的行列位置将按钮添加到网格布局（gridLayout）。
  - 为每个按钮连接点击信号：切换按钮状态（包括样式改变）并发出coilClicked信号，传递线圈索引和状态。
  - 将按钮添加到按钮列表（buttons）并初始化状态映射（coilStates）为false。
与控制界面链接信号
- 与ui->le_quantity绑定信号与槽，当数值变化的时候，调用setQuantity显示当前按钮数量。

绑定coilClicked信号，实现控制

connect(coilsContainer, &CoilsContainer::coilClicked,
            this, &mcontrol::onCoilButtonClicked1);

void mcontrol::onCoilButtonClicked1(int index, bool state)
{
    if (ui->comboBox->currentIndex() == 0) {
        return;
    }
    qDebug() << index << state;
    if(state)
    {
        if(ui->comboBox->currentIndex() == 4)
        {
            if(modbusContext != nullptr)
            {
                modbus_set_slave(modbusContext, ui->le_slaveid->text().toInt());
                modbus_write_bit(modbusContext,index,1);
            }
        }
    }else
    {
        if(ui->comboBox->currentIndex() == 4)
        {
            if(modbusContext != nullptr)
            {
                modbus_set_slave(modbusContext, ui->le_slaveid->text().toInt());
                modbus_write_bit(modbusContext,index,0);
            }
        }
    }
}

代码功能分析：

首先判断组合框（comboBox）的当前索引是否为0，如果是0则直接返回（可能是禁用状态）。
打印调试信息（线圈索引和状态）。
如果状态为true（置位）：
- 判断组合框当前索引是否为4,即写入单个线圈界面。
- 如果满足条件且modbusContext不为空（已连接），则设置从站ID，并执行写单个线圈操作（写1）。
如果状态为false（复位）：
- 同样判断组合框索引是否为4且modbusContext不为空，然后执行写单个线圈操作（写0）。

并在组合框ui->comboBox->currentIndex()的currentIndexChanged(int)信号绑定的槽函数中，添加如下代码，显示线圈界面:

void mcontrol::on_comboBox_currentIndexChanged(int index)
{
    ···
    else if(index == 4 || index == 6)
    {

        resgistertable.tableWidget->hide();
        registersContainer->hide();
        diTable->hide();
        coilsContainer->setReadOnlyMode(false);
        coilsContainer->resetToNormalStyles();
        ui->btn_control->setText("Write coils");
        ui->Coilsbox->setMinimumHeight(200);
        ui->Coilsbox->setMaximumHeight(200);
        coilsContainer->show();
    }
    ···
}

代码功能分析：

当组合框选中写单个线圈界面和写多个线圈界面时，显示线圈控制界面，以便于用户控制。

目前存在问题，链接界面新建的Modbus上下文还没有传递给控制界面，之前链接界面在创建成功后会发送modbusConnectionEstablished信号，那么我们可以对齐绑定并实现获取到对应的Modbus上下文。

在主界面窗口绑定信号与槽：

connect(connectionWidget,&connection::modbusConnectionEstablished,
            controlwidget, &mcontrol::setModbusConnection);

获取Modbus上下文

void mcontrol::setModbusConnection(void *mb)
{
    if (modbusContext) {
        modbus_close(modbusContext);
        modbus_free(modbusContext);
    }
    modbusContext = static_cast<modbus_t*>(mb);
}

将开发板与RS485转RJ45以太网模块链接，并且RS485转RJ45以太网模块再与Modbus RTU Relay链接，运行效果如下：
alt text 输出报文：
报文分析：

示例报文1（发送）：
- [00][01][00][00][00][06][00][05][00][02][FF][00] 拆解：事务标识: 00 01 (通常每次通信递增，这里第一条是0001) 协议标识: 00 00 (Modbus协议固定为0) 长度: 00 06 (后面6个字节) 单元标识: 00 (从站地址，这里是0，但实际在Modbus TCP中，这个字段通常被忽略，或者用作设备地址) 功能码: 05 (写单个线圈) 数据: 00 02 FF 00 (线圈地址为00 02 -> 2，值为FF 00 -> 表示ON)
示例报文1（响应）：
- <00><01><00><00><00><06><00><05><00><02><FF><00> 同样结构，事务标识相同，表示响应请求。同理其他报文。

至此，控制写入单个线圈功能已完成。

写入多个线圈功能实现

QVector<bool> CoilsContainer::getCoilStates() const {
    QVector<bool> states;
    for (QPushButton *btn : buttons) {
        states.append(coilStates.value(btn, false));
    }
    return states;
}

void mcontrol::on_btn_control_clicked()
{
    ...
    int quantity = ui->le_quantity->text().toInt();
    int startaddress = ui->le_address->text().toInt();
    QVector<bool> coilStates = coilsContainer->getCoilStates();
    uint8_t *writeData = new uint8_t[quantity];

    for(int i = 0;i < quantity;i++)
    {
        writeData[i] = coilStates.value(i,false) ? 1 : 0;
        if(coilStates.value(i,false)) coilCount++;
    }

    int res = -1;
    if(ui->comboBox->currentIndex() == 6)
    {
        res = modbus_write_bits(modbusContext, actualaddresss, quantity, writeData);
    }
    ...
}

代码功能分析：

通过getCoilStates遍历线圈按钮状态并记录，当点击控制界面的功能按钮ui->btn_control并且ui->comboBox->currentIndex()选中为写多个线圈功能时，调用modbus_write_bits一次性写入，实现控制多个线圈功能。

读取线圈状态

void CoilsContainer::setReadOnlyMode(bool readOnly)
{
    for (QPushButton *btn : buttons) {
        btn->setEnabled(!readOnly);
    }
}

void CoilsContainer::updateVisualState(const QVector<bool> &states)
{
    for (int i = 0; i < qMin(buttons.size(), states.size()); i++) {
        if (states[i]) {
            buttons[i]->setStyleSheet(readOnlyOnStyle);
        } else {
            buttons[i]->setStyleSheet(readOnlyOffStyle);
        }
    }
}

void mcontrol::on_btn_control_clicked()
{
    ...
    uint8_t *readData = new uint8_t[quantity];
    else if(ui->comboBox->currentIndex() == 0)
    {
        res = modbus_read_bits(modbusContext, actualaddresss, quantity, readData);
    }
    if(res == quantity)
    {
        ...
        else if(ui->comboBox->currentIndex() == 0)
        {
            for (int i = 0; i < quantity; i++) {
                states.append(readData[i] == 1);
            }          
            coilsContainer->setCoilStates(states);         
            if (ui->comboBox->currentIndex() == 0) {
                coilsContainer->setReadOnlyMode(true);
                coilsContainer->updateVisualState(states);
            }
        }
        ...
    }
    ...
}

代码功能分析：

同样时控制页面的功能按钮点击触发槽函数，并判断ui->comboBox->currentIndex()是否为读取线圈功能，显示线圈界面并且设置按钮为不可点击状态，并且设置样式表明读取结果。

运行效果如下：
alt text

5.3.2寄存器界面

创建寄存器信息组类

在项目中添加名为RegisterGroup类作为显示一组寄存器信息及功能按钮。并初始化其布局和控件：

RegisterGroup::RegisterGroup(QWidget *parent) : QWidget(parent),
    currentAddress(0)
{
    QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);
    layout->setSpacing(5);
    layout->setContentsMargins(2, 2, 2, 2);

    labelAddress = new QLabel(this);
    labelAddress->setAlignment(Qt::AlignCenter);
    labelAddress->setStyleSheet("QLabel { font-weight: bold; }");
    layout->addWidget(labelAddress);

    lineEditValue = new QLineEdit(this);
    lineEditValue->setAlignment(Qt::AlignCenter);
    lineEditValue->setValidator(new QIntValidator(0, 65535, this));
    layout->addWidget(lineEditValue);

    btnSend = new QPushButton("Send", this);
    btnSend->setStyleSheet(
                "QPushButton {"
                "  background-color: #4CAF50;"
                "  color: white;"
                "  border-radius: 5px;"
                "  padding: 3px;"
                "}"
                "QPushButton:hover {"
                "  background-color: #45a049;"
                "}"
                "QPushButton:pressed {"
                "  background-color: #3d8b40;"
                "}"
                );
    layout->addWidget(btnSend);

     connect(btnSend, &QPushButton::clicked, this, &RegisterGroup::onSendClicked);

}

代码功能分析：

添加布局QVBoxLayout。
设置地址标签labelAddress。
设置数值输入框lineEditValue
发送按钮btnSend，链接信号与槽。

创建寄存器界面类

在项目中添加名为registercontainer类作为功能界面显示寄存器信息组。

void RegistersContainer::setQuantity(int quantity, int startAddress,bool hexMode)
{
    for (RegisterGroup *group : registerGroups) {
        gridLayout->removeWidget(group);
        delete group;
    }
    registerGroups.clear();

    if (quantity <= 0) return;

    int cols = qMin(4, quantity);
    int rows = (quantity + cols - 1) / cols;

    for (int i = 0; i < quantity; i++) {
        RegisterGroup *group = new RegisterGroup(this);

        int addr = startAddress + i;
        group->setAddress(addr, hexMode);
        group->setValue(4);

        connect(group, &RegisterGroup::sendClicked,
                this, &RegistersContainer::registerSendClicked);

        int row = i / cols;
        int col = i % cols;
        gridLayout->addWidget(group, row, col);
        registerGroups.append(group);
    }
}

代码功能分析：

与线圈界面类似，得到控制界面ui->le_quantity的数值创建对应的寄存器信息组。
计算行列，将对应的寄存器信息组放到对应布局。

实现写入寄存器功能

connect(registersContainer, &RegistersContainer::registerSendClicked,
            this, &mcontrol::onRegisterSendClicked);

void mcontrol::onRegisterSendClicked(int address, uint16_t value)
{
    if (!modbusContext) {
        qDebug() << "Modbus connection not established";
        return;
    }

    bool hexmode = ui->checkBox->isChecked();

    int actualaddresss = address;
    if(hexmode)
    {
        QString addstr = QString::number(address);
        bool ok;
        actualaddresss = addstr.toInt(&ok,16);
    }

    qDebug() << address << " is "<< value;
    modbus_set_slave(modbusContext, ui->le_slaveid->text().toInt());

    int result = modbus_write_register(modbusContext, actualaddresss, value);
}

代码功能分析：

链接信号与槽，当send按钮按下的时候，判断控制界面的进制切换checkBox是否勾选，并对与地址作出对应的进制转换，调用modbus_set_slave对寄存器进行写入操作。

实现效果：
alt text

设置ui->quatity为1，地址为4000，勾选checkbox，转换为16进制。(目前仅支持保持寄存器可成功写入和读取),点击send按钮。

观察报文：
alt text 报文分析： 发送报文：00 01 00 00 00 06 00 06 40 00 00 04

事务标识符: 00 01 (0x0001)
协议标识符: 00 00 (0x0000，表示Modbus协议)
长度: 00 06 (0x0006，表示后面还有6个字节)
单元标识符: 00 (0x00)
功能码: 06 (0x06，表示写单个保持寄存器)
数据: 40 00 00 04 (共4个字节)
```
   - 寄存器地址: 40 00 (0x4000)
   - 寄存器值: 00 04 (0x0004)
```
响应报文：00 01 00 00 00 06 00 06 40 00 00 04
与请求报文完全一致，表示成功。

读取保持寄存器实现

void mcontrol::on_btn_control_clicked()
{
    ...
    uint16_t *readDatas = new uint16_t[quantity];
    else if(ui->comboBox->currentIndex() == 2)
    {
        res = modbus_read_registers(modbusContext,actualaddresss,quantity,readDatas);
    }
    ...

    if(res == quantity)
    {
        ...
        else if(ui->comboBox->currentIndex() == 2)
        {
            QVector<uint16_t> values;
            for (int i = 0; i < quantity; i++) {
                values.append(readDatas[i]);
            }

            registersContainer->setValues(values);
        }
        ...
    }
}

代码功能分析：

当选中读取保持寄存器的时候，点击控制页面功能按钮，调用modbus_read_registers读取，并保存到readDatas中，注意添加到对应的寄存器值框中。

报文分析：
alt text

请求报文分析（功能码03：读保持寄存器）
- 事务标识符（Transaction Identifier）: 00 02 (2字节) -> 事务ID为2
- 协议标识符（Protocol Identifier）: 00 00 (2字节) -> Modbus协议
- 长度（Length）: 00 06 (2字节) -> 后面的单元标识符+功能码+数据共6字节
- 单元标识符（Unit Identifier）: 00 (1字节) -> 从站地址0
- 功能码（Function Code）: 03 (1字节) -> 读保持寄存器
- 起始地址（Starting Address）: 40 00 (2字节) -> 0x4000（对应寄存器地址40001，因为Modbus寄存器地址从0开始，但人们通常用40001表示）
- 寄存器数量（Quantity of Registers）: 00 01 (2字节) -> 读取1个寄存器
响应报文分析
- 对应请求报文的响应，最后发送寄存器值（Register Value）: 00 04 -> 表示读取到的寄存器值为0x0004。

读取离散输入和输入寄存器实现

由于Modbus RTU Relay并不支持离散输入和输入寄存器的读取，我们只能从输出日志分析是否发送正确，以读取离散输入为例：

bool DITable::readFromDevice(modbus_t *ctx, int slaveId, int startAddress, int count)
{
    if (!ctx) {
        qWarning() << "No Modbus context available";
        return false;
    }

    if (count > m_maxPoints) {
        qDebug() << "Limiting DI read to max points:" << m_maxPoints;
        count = m_maxPoints;
    }

    uint8_t *data = new uint8_t[count];

    modbus_set_slave(ctx, slaveId);

    int result = modbus_read_input_bits(ctx, startAddress, count, data);

    if (result == count) {
        updateData(startAddress, data, count, m_hexMode);
        delete[] data;
        return true;
    } else {
        qWarning() << "Failed to read discrete inputs:" << modbus_strerror(errno);
        delete[] data;
        return false;
    }
}

代码功能分析：

创建DITable以表格形式显示离散输入。
获取Modbus上下文，modbus_read_input_bits读取离散输入。

报文分析：
alt text

请求报文（共12字节）：
- 00 01: 事务标识符（Transaction Identifier） 0x0001 00 00: 协议标识符（Protocol Identifier） - 0x0000 (Modbus) 00 06: 长度域（Length） - 0x0006 (表示后面还有6个字节) 00: 单元标识符（Unit Identifier） - 0x00 (可以认为是Slave ID) 02: 功能码（Function Code） - 0x02 (读离散输入) 40 00: 起始地址（Start Address） - 0x4000 (注意：Modbus寄存器地址是从0开始的，但这里用0x4000表示？) 00 08: 寄存器数量（Quantity） - 0x0008 (8个离散输入)
返回报文为出错报文：
- 00 01: 事务标识符 - 0x0001 (与请求匹配) 00 00: 协议标识符 - 0x0000 00 03: 长度域 - 0x0003 (后面还有3个字节) 00: 单元标识符 - 0x00 82: 功能码 - 0x82 (即0x80 | 0x02，表示是对功能码02的异常响应) 01: 异常码 - 0x01 (非法功能)

6.虚拟键盘实现

在项目中添加名为virtualkeyboard类作为虚拟键盘的实现。用于记录用户输入，在链接配置中设置链接配置，在控制界面设置地址，寄存器值等设置。

6.1键盘界面

void virtualkeyboard::setupUI()
{
    QGridLayout *layout = new QGridLayout(this);
    layout->setSpacing(5);
    layout->setContentsMargins(10, 10, 10, 10);

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        QString text = QString::number(i);
        QPushButton *btn = new QPushButton(text);
        btn->setMinimumSize(60, 60);
        connect(btn, &QPushButton::clicked, this, &virtualkeyboard::handleButtonClick);
        m_buttons[text] = btn;
    }

    for (char c = 'A'; c <= 'F'; ++c) {
        QString text = QString(c);
        QPushButton *btn = new QPushButton(text);
        btn->setMinimumSize(60, 60);
        connect(btn, &QPushButton::clicked, this, &virtualkeyboard::handleButtonClick);
        m_buttons[text] = btn;
    }

    QPushButton *decimalBtn = new QPushButton(".");
    decimalBtn->setMinimumSize(60, 60);
    connect(decimalBtn, &QPushButton::clicked, this, &virtualkeyboard::handleButtonClick);
    m_buttons["."] = decimalBtn;

    QPushButton *delBtn = new QPushButton("DEL");
    delBtn->setMinimumSize(60, 60);
    connect(delBtn, &QPushButton::clicked, this, &virtualkeyboard::handleButtonClick);
    m_buttons["DEL"] = delBtn;

    QPushButton *closeBtn = new QPushButton("Close");
    closeBtn->setMinimumSize(60, 60);
    connect(closeBtn, &QPushButton::clicked, this, &virtualkeyboard::hideKeyboard);

    layout->addWidget(m_buttons["7"], 0, 0);
    layout->addWidget(m_buttons["8"], 0, 1);
    layout->addWidget(m_buttons["9"], 0, 2);

    layout->addWidget(m_buttons["4"], 1, 0);
    layout->addWidget(m_buttons["5"], 1, 1);
    layout->addWidget(m_buttons["6"], 1, 2);

    layout->addWidget(m_buttons["1"], 2, 0);
    layout->addWidget(m_buttons["2"], 2, 1);
    layout->addWidget(m_buttons["3"], 2, 2);

    layout->addWidget(m_buttons["0"], 3, 0);
    layout->addWidget(m_buttons["."], 3, 1);
    layout->addWidget(m_buttons["DEL"], 3, 2);

    layout->addWidget(m_buttons["A"], 0, 3);
    layout->addWidget(m_buttons["B"], 0, 4);
    layout->addWidget(m_buttons["C"], 1, 3);
    layout->addWidget(m_buttons["D"], 1, 4);
    layout->addWidget(m_buttons["E"], 2, 3);
    layout->addWidget(m_buttons["F"], 2, 4);
    layout->addWidget(closeBtn, 3, 3, 1, 2);
    updateButtonVisibility();
}

void virtualkeyboard::updateButtonVisibility()
{
    for (char c = 'A'; c <= 'F'; ++c) {
        m_buttons[QString(c)]->setVisible(m_hexMode);
    }
    m_buttons["."]->setVisible(!m_hexMode);
}

代码功能分析：

创建键盘UI界面，添加布局。
添加十进制与16进制基本数字，通过updateButtonVisibility切换显示状态。
链接按钮与槽函数。
添加功能按钮，包括小数点以及删除按钮。

6.2键盘输入功能实现

void virtualkeyboard::handleButtonClick()
{
    if (!m_currentLineEdit) return;

    QPushButton *btn = qobject_cast<QPushButton*>(sender());
    if (!btn) return;

    QString text = btn->text();

    if (text == "DEL") {
        m_currentLineEdit->backspace();
    } else {
        m_currentLineEdit->insert(text);
    }
}

代码功能分析：

qobject_cast<QPushButton*>(sender())获取信号触发对象。
判断是否为删除按钮按下，如果是对目标m_currentLineEdit删除一个字符，否则插入一个字符。

6.3键盘锁定输入对象

在输入功能中，我们对m_currentLineEdit成员进行操作，我们还需要对其增加接口，对项目中需要虚拟键盘输入的Lineedit进行绑定：

void virtualkeyboard::registerLineEdit(QLineEdit *lineEdit)
{
    connect(lineEdit, &QLineEdit::selectionChanged, [this, lineEdit]() {
        m_currentLineEdit = lineEdit;
        show();
    });
}

代码功能分析：

绑定传参lineEdit的选择变换信号selectionChanged，给成员m_currentLineEdit指定对应的lineedit，并且显示.
在所需界面中添加虚拟键盘成员并绑定所需输入的Lineedit。

运行效果如下:

alt text

7.主界面

7.1主界面显示框架

void Widget::setupUI()
{
    QVBoxLayout *mainLayout = new QVBoxLayout(this);
    mainLayout->setSpacing(0);
    mainLayout->setContentsMargins(0, 0, 0, 0);

    QLabel *headerLabel = new QLabel("Connection");
    headerLabel->setAlignment(Qt::AlignCenter);
    headerLabel->setStyleSheet(
                "font-size: 35px;"
                "font-weight: bold;"
                "color: #ffffff;"
                "background-color: #1E1E1E;"  
                "padding: 20px 0;" 
                );
    mainLayout->addWidget(headerLabel,1);

    QFrame *separator = new QFrame();
    separator->setFixedHeight(3);
    separator->setStyleSheet("background-color: #FF8C00;");
    mainLayout->addWidget(separator);

    containerWidget = new QWidget(this);
    containerWidget->setObjectName("containerWidget");
    containerWidget->setSizePolicy(QSizePolicy::Expanding, QSizePolicy::Expanding);\


    QVBoxLayout *containerLayout = new QVBoxLayout(containerWidget);
    containerLayout->setContentsMargins(0, 0, 0, 0);

    connectionWidget = new connection(containerWidget);
    controlwidget = new mcontrol(containerWidget);

    connect(connectionWidget,&connection::modbusConnectionEstablished,
            controlwidget, &mcontrol::setModbusConnection);

    connect(connectionWidget, &connection::modbusDisconnected, [this](){
           controlwidget->setModbusConnection(nullptr);
       });

    connectionWidget->move(0, 0);
    controlwidget->move(width(), 0); 
    connectionWidget->move(0, 0);
    controlwidget->move(width(), 0); 

    mainLayout->addWidget(containerWidget,9); 

    setMaximumSize(720, 720);
}

代码功能分析：

使用分割线分开子界面区域，以及主界面标题。
创建链接界面对象及控制界面对象，并将控制界面移动到屏幕外，方便后续切换。
链接子界面Modbus上下文的信号与槽函数。
设置主界面大小。

7.2滑动切换功能实现

void Widget::mousePressEvent(QMouseEvent *event)
{
    m_startPosX = event->x();
    QWidget::mousePressEvent(event);
}

void Widget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
{
    m_curPosX = event->x();
    int delta = m_curPosX - m_startPosX;
    if (delta > 30)
    {
        QPropertyAnimation *animation = new QPropertyAnimation(controlwidget, "pos");
        animation->setDuration(500);
        animation->setStartValue(QPoint(0, 0));
        animation->setEndValue(QPoint(width(), 0));
        animation->start(QAbstractAnimation::DeleteWhenStopped);
        QPropertyAnimation *animation2 = new QPropertyAnimation(connectionWidget, "pos");
        animation2->setDuration(500);
        animation2->setStartValue(QPoint(-width(), 0));
        animation2->setEndValue(QPoint(0, 0));
        animation2->start(QAbstractAnimation::DeleteWhenStopped);
    }
    else if (delta < -30)
    {
        QPropertyAnimation *animation = new QPropertyAnimation(connectionWidget, "pos");
        animation->setDuration(500);
        animation->setStartValue(QPoint(0, 0));
        animation->setEndValue(QPoint(-width(), 0));
        animation->start(QAbstractAnimation::DeleteWhenStopped);
        QPropertyAnimation *animation2 = new QPropertyAnimation(controlwidget, "pos");
        animation2->setDuration(500);
        animation2->setStartValue(QPoint(width(), 0));
        animation2->setEndValue(QPoint(0, 0));
        animation2->start(QAbstractAnimation::DeleteWhenStopped);
    }
    m_startPosX = m_curPosX;
    QWidget::mouseMoveEvent(event);
}

void Widget::mouseReleaseEvent(QMouseEvent *event)
{
    m_startPosX = 0;
    m_curPosX = 0;
    QWidget::mouseReleaseEvent(event);
}

代码功能分析：

重写主界面鼠标点击，松开，移动事件。
点击事件：记录当前鼠标x坐标，之后默认处理。
移动事件：
- 得到移动后的坐标，计算位移差.
- 设置两个动画，分别为左滑切换控制界面，以及右滑返回链接页面。
松开事件：清空新旧坐标，为下次滑动做准备。

最终主界面显示如下：
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至此，Modbus demo项目设计已完成。

1.Modbus​

Modbus协议概述​

Modbus数据模型​

Modbus RTU报文结构​

Modbus TCP报文结构​

总结​

2.项目整体概述​

2.1界面概述​

2.2 所需硬件及连线​

2.2.1 86盒开发板​

2.2 Modbus RTU Relay​

2.3RS485转RJ45以太网模块​

3.准备工作及创建工程​

环境配置​

创建工程​

4.链接界面​

4.1添加链接界面类​

4.2界面具体设计​

4.2.1创建RTU组​

4.2.2创建TCP组​

4.2.3整体布局​

4.3链接功能实现​

4.3.1 RTU链接功能实现​

4.3.2 TCP链接功能实现​

5.控制界面​

5.1添加控制界面类​

5.2控制界面设计​

5.3功能子界面设计​

5.3.1线圈界面​

创建线圈界面类​

实现配置接口​

绑定coilClicked信号，实现控制​

写入多个线圈功能实现​

读取线圈状态​

5.3.2寄存器界面​

创建寄存器信息组类​

创建寄存器界面类​

实现写入寄存器功能​

读取保持寄存器实现​

读取离散输入和输入寄存器实现​

6.虚拟键盘实现​

6.1键盘界面​

6.2键盘输入功能实现​

6.3键盘锁定输入对象​

7.主界面​

7.1主界面显示框架​

7.2滑动切换功能实现​

1.Modbus

Modbus协议概述

Modbus数据模型

Modbus RTU报文结构

Modbus TCP报文结构

总结

2.项目整体概述

2.1界面概述

2.2 所需硬件及连线

2.2.1 86盒开发板

2.2 Modbus RTU Relay

2.3RS485转RJ45以太网模块

3.准备工作及创建工程

环境配置

创建工程

4.链接界面

4.1添加链接界面类

4.2界面具体设计

4.2.1创建RTU组

4.2.2创建TCP组

4.2.3整体布局

4.3链接功能实现

4.3.1 RTU链接功能实现

4.3.2 TCP链接功能实现

5.控制界面

5.1添加控制界面类

5.2控制界面设计

5.3功能子界面设计

5.3.1线圈界面

创建线圈界面类

实现配置接口

绑定coilClicked信号，实现控制

写入多个线圈功能实现

读取线圈状态

5.3.2寄存器界面

创建寄存器信息组类

创建寄存器界面类

实现写入寄存器功能

读取保持寄存器实现

读取离散输入和输入寄存器实现

6.虚拟键盘实现

6.1键盘界面

6.2键盘输入功能实现

6.3键盘锁定输入对象

7.主界面

7.1主界面显示框架

7.2滑动切换功能实现