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Modbus RTU ---＞ Modbus TCP透传技术实现（Modbus透传、RS485透传、RTU透传）分站代码实现

news 来源：原创 2025/7/28 1:57:48

文章目录

Modbus RTU到Modbus TCP透传技术实现
- 1. 透传技术概述
- - 1.1 透传基本原理
  - - - 协议帧格式转换
    - - 地址映射与管理
    - - 通信时序适配
    - - 错误检测与处理
- 2. 透传网关硬件架构
- - 2.1 典型硬件结构
  - - - 微控制器/处理器(ARM、STM32等)
    - - RS-485/RS-232收发器
    - - 以太网控制器(如W5500)
    - - 电源管理模块
    - - 状态指示灯和配置接口
  - 2.2 接口设计
  - - - **串行接口**：RS-485/RS-232，支持多波特率配置
    - - **网络接口**：RJ45以太网接口，支持10/100Mbps
    - - **配置接口**：串口调试/Web界面/按键配置
- 3. 协议转换核心技术
- - 3.1 报文结构转换
  - - 转换规则:
    - - 1. 生成MBAP头部(事务标识符、协议标识符、长度、单元标识符)
      - 2. 将RTU帧中的功能码和数据部分复制到TCP帧
      - 3. 移除CRC校验(TCP层已有错误检测机制)
  - 3.2 地址映射策略
  - - 3.2.1 单元标识符映射
    - - - **直接映射法**：Unit ID = 从站地址
      - - **表映射法**：通过映射表将从站地址转换为自定义Unit ID
      - - **统一标识符法**：所有设备使用同一Unit ID，通过数据区分设备
  - 3.3 时序管理
  - - - RTU帧之间的3.5个字符时间间隔
    - - TCP通信的延迟和不确定性
    - - 接收超时与重传机制
- 4. 透传实现代码分析
- - 4.1 RTU到TCP转换核心代码
  - 4.2 TCP到RTU转换核心代码
- 5. 通信管理
- - 5.1 TCP连接管理
  - 5.2 RTU通信管理
- 6. 缓冲区和数据流管理
- - 6.1 缓冲区设计
  - 6.2 数据流处理
- 7. 异常处理与错误恢复
- - 7.1 错误码定义
  - 7.2 异常响应处理
- 8. 透传网关配置管理
- - 8.1 配置参数结构
  - 8.2 配置持久化
- 9. 实际应用优化
- - 9.1 性能优化
  - - - **零拷贝技术**：减少数据复制操作
    - - **轮询优化**：使用select/epoll等机制提高I/O效率
    - - **预分配缓冲区**：避免动态内存分配开销
  - 9.2 可靠性提升
- 10. 实际部署案例
- - 1. **部署环境**：
  - 2. **网关配置**：
  - 3. **性能指标**：

Modbus RTU到Modbus TCP透传技术实现

1. 透传技术概述

透传技术是将Modbus RTU数据封装到Modbus TCP报文中进行传输的桥梁技术，使传统的串行设备能够接入以太网环境，实现远距离通信和更灵活的网络拓扑。

1.1 透传基本原理

透传技术本质是协议转换过程，需要处理以下关键环节：

- 协议帧格式转换

- 地址映射与管理

- 通信时序适配

- 错误检测与处理

2. 透传网关硬件架构

2.1 典型硬件结构

透传网关通常包含以下硬件组件：

- 微控制器/处理器(ARM、STM32等)

- RS-485/RS-232收发器

- 以太网控制器(如W5500)

- 电源管理模块

- 状态指示灯和配置接口

2.2 接口设计

- 串行接口：RS-485/RS-232，支持多波特率配置

- 网络接口：RJ45以太网接口，支持10/100Mbps

- 配置接口：串口调试/Web界面/按键配置

3. 协议转换核心技术

3.1 报文结构转换

Modbus RTU:
+--------+--------+--------+--------+
| 从站地址 | 功能码 | 数据域  | CRC校验 |
+--------+--------+--------+--------+Modbus TCP:
+----------------+--------+--------+
| MBAP头部(7字节) | 功能码  | 数据域  |
+----------------+--------+--------+

转换规则:

1. 生成MBAP头部(事务标识符、协议标识符、长度、单元标识符)

2. 将RTU帧中的功能码和数据部分复制到TCP帧

3. 移除CRC校验(TCP层已有错误检测机制)

3.2 地址映射策略

3.2.1 单元标识符映射

将RTU帧中的从站地址映射为TCP帧中的单元标识符(Unit ID)，有以下几种方式：

- 直接映射法：Unit ID = 从站地址

- 表映射法：通过映射表将从站地址转换为自定义Unit ID

- 统一标识符法：所有设备使用同一Unit ID，通过数据区分设备

3.3 时序管理

RTU通信具有严格的时序要求，而TCP为无时序协议，需要处理：

- RTU帧之间的3.5个字符时间间隔

- TCP通信的延迟和不确定性

- 接收超时与重传机制

4. 透传实现代码分析

4.1 RTU到TCP转换核心代码

// RTU帧转TCP帧
int ConvertRTUtoTCP(uint8_t* rtuFrame, int rtuLen, uint8_t* tcpFrame)
{static uint16_t transactionId = 0;// 检查RTU帧长度有效性if (rtuLen < 4) return -1;  // 至少包含地址、功能码和CRC// 验证RTU帧CRCuint16_t crc = CalculateCRC(rtuFrame, rtuLen - 2);uint16_t frameCrc = (rtuFrame[rtuLen-2] | (rtuFrame[rtuLen-1] << 8));if (crc != frameCrc) return -2;  // CRC错误// 构建MBAP头tcpFrame[0] = (transactionId >> 8) & 0xFF;  // 事务标识符高字节tcpFrame[1] = transactionId & 0xFF;         // 事务标识符低字节tcpFrame[2] = 0x00;                         // 协议标识符高字节(Modbus=0)tcpFrame[3] = 0x00;                         // 协议标识符低字节tcpFrame[4] = ((rtuLen - 3) >> 8) & 0xFF;   // 长度高字节(不含CRC)tcpFrame[5] = (rtuLen - 3) & 0xFF;          // 长度低字节tcpFrame[6] = rtuFrame[0];                  // 单元标识符(从站地址)// 复制功能码和数据(去除地址和CRC)memcpy(&tcpFrame[7], &rtuFrame[1], rtuLen - 3);// 更新事务标识符transactionId++;// 返回TCP帧长度return rtuLen - 2 + 7;  // RTU长度 - CRC + MBAP头
}

4.2 TCP到RTU转换核心代码

// TCP帧转RTU帧
int ConvertTCPtoRTU(uint8_t* tcpFrame, int tcpLen, uint8_t* rtuFrame)
{// 检查TCP帧长度有效性if (tcpLen < 8) return -1;  // MBAP头(7) + 功能码(1)// 验证MBAP头中的长度字段uint16_t length = (tcpFrame[4] << 8) | tcpFrame[5];if (length != tcpLen - 6) return -2;  // 长度字段错误// 提取单元标识符作为RTU的从站地址rtuFrame[0] = tcpFrame[6];// 复制功能码和数据部分memcpy(&rtuFrame[1], &tcpFrame[7], tcpLen - 7);// 计算并添加CRCuint16_t crc = CalculateCRC(rtuFrame, tcpLen - 7 + 1);rtuFrame[tcpLen - 7 + 1] = crc & 0xFF;rtuFrame[tcpLen - 7 + 2] = (crc >> 8) & 0xFF;// 返回RTU帧长度return tcpLen - 7 + 3;  // TCP数据长度 - MBAP + 地址 + CRC
}

5. 通信管理

5.1 TCP连接管理

typedef struct {int socketFd;uint8_t unitId;time_t lastActive;bool isActive;
} TCPConnection;TCPConnection connections[MAX_CONNECTIONS];// 查找或创建连接
int GetConnection(uint8_t unitId) {int oldestIdx = -1;time_t oldestTime = time(NULL);// 查找现有连接for (int i = 0; i < MAX_CONNECTIONS; i++) {if (connections[i].isActive && connections[i].unitId == unitId) {connections[i].lastActive = time(NULL);return i;}// 记录最旧的非活跃连接if (!connections[i].isActive && connections[i].lastActive < oldestTime) {oldestIdx = i;oldestTime = connections[i].lastActive;}}// 没有找到现有连接，使用最旧的非活跃连接if (oldestIdx >= 0) {InitConnection(&connections[oldestIdx], unitId);return oldestIdx;}return -1; // 无可用连接
}

5.2 RTU通信管理

// RTU通信超时设置
typedef struct {uint32_t charTimeout;     // 字符间超时(基于波特率)uint32_t frameTimeout;    // 帧超时(3.5个字符时间)uint8_t maxRetry;         // 最大重试次数
} RTUTimeoutConfig;// 计算字符超时时间
void CalculateTimeouts(uint32_t baudRate, RTUTimeoutConfig* config) {// 1个字符时间(毫秒) = (1000 * 10) / 波特率// 10位 = 起始位(1) + 数据位(8) + 停止位(1)float charTime = (1000.0 * 10) / baudRate;config->charTimeout = (uint32_t)(charTime * 1.5);  // 1.5个字符时间config->frameTimeout = (uint32_t)(charTime * 3.5); // 3.5个字符时间
}

6. 缓冲区和数据流管理

6.1 缓冲区设计

typedef struct {uint8_t data[BUFFER_SIZE];uint16_t head;uint16_t tail;uint16_t count;pthread_mutex_t mutex;
} CircularBuffer;// 初始化缓冲区
void InitBuffer(CircularBuffer* buffer) {buffer->head = 0;buffer->tail = 0;buffer->count = 0;pthread_mutex_init(&buffer->mutex, NULL);
}// 写入数据
bool WriteBuffer(CircularBuffer* buffer, uint8_t* data, uint16_t len) {pthread_mutex_lock(&buffer->mutex);if (buffer->count + len > BUFFER_SIZE) {pthread_mutex_unlock(&buffer->mutex);return false;  // 缓冲区空间不足}for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {buffer->data[buffer->tail] = data[i];buffer->tail = (buffer->tail + 1) % BUFFER_SIZE;buffer->count++;}pthread_mutex_unlock(&buffer->mutex);return true;
}

6.2 数据流处理

多线程处理模型示例：

// 线程函数：处理RTU到TCP的数据转发
void* RTUtoTCPThread(void* arg) {GatewayContext* ctx = (GatewayContext*)arg;uint8_t rtuBuffer[MAX_RTU_FRAME_SIZE];uint8_t tcpBuffer[MAX_TCP_FRAME_SIZE];int rtuLen, tcpLen;while (!ctx->stopFlag) {// 从RTU接收数据rtuLen = ReceiveRTUFrame(ctx->serialFd, rtuBuffer);if (rtuLen > 0) {// 转换为TCP帧tcpLen = ConvertRTUtoTCP(rtuBuffer, rtuLen, tcpBuffer);if (tcpLen > 0) {// 获取TCP连接int connIdx = GetConnection(rtuBuffer[0]);if (connIdx >= 0) {// 发送TCP数据SendTCPFrame(ctx->connections[connIdx].socketFd, tcpBuffer, tcpLen);}}}usleep(1000);  // 避免CPU占用过高}return NULL;
}

7. 异常处理与错误恢复

7.1 错误码定义

typedef enum {ERR_NONE = 0,ERR_CRC_FAILED,           // CRC校验失败ERR_FRAME_TIMEOUT,        // 帧接收超时ERR_BUFFER_OVERFLOW,      // 缓冲区溢出ERR_TCP_DISCONNECTED,     // TCP连接断开ERR_INVALID_RESPONSE,     // 无效响应ERR_DEVICE_BUSY,          // 设备忙ERR_MODBUS_EXCEPTION      // Modbus异常响应
} ErrorCode;

7.2 异常响应处理

// 处理Modbus异常
void HandleModbusException(uint8_t* frame, ErrorCode error) {uint8_t funcCode = frame[1];switch (error) {case ERR_MODBUS_EXCEPTION:// 已经是异常响应，不需处理break;case ERR_DEVICE_BUSY:frame[1] = funcCode | 0x80;  // 设置异常标志位frame[2] = 0x06;  // 从站设备忙break;case ERR_INVALID_RESPONSE:frame[1] = funcCode | 0x80;frame[2] = 0x03;  // 非法数据值break;default:frame[1] = funcCode | 0x80;frame[2] = 0x04;  // 从站设备故障break;}
}

8. 透传网关配置管理

8.1 配置参数结构

typedef struct {// RTU参数uint32_t baudRate;        // 波特率uint8_t dataBits;         // 数据位uint8_t stopBits;         // 停止位uint8_t parity;           // 校验位uint32_t timeout;         // 超时时间(毫秒)// TCP参数char serverIP[16];        // 服务器IPuint16_t serverPort;      // 服务器端口uint16_t localPort;       // 本地端口uint16_t maxConnections;  // 最大连接数uint32_t tcpTimeout;      // TCP超时时间// 地址映射bool useDirectMapping;    // 是否使用直接映射AddressMapEntry addressMap[MAX_DEVICES]; // 地址映射表
} GatewayConfig;

8.2 配置持久化

// 保存配置到文件
bool SaveConfig(const char* filename, GatewayConfig* config) {FILE* file = fopen(filename, "wb");if (!file) return false;fwrite(config, sizeof(GatewayConfig), 1, file);fclose(file);return true;
}// 从文件加载配置
bool LoadConfig(const char* filename, GatewayConfig* config) {FILE* file = fopen(filename, "rb");if (!file) return false;size_t read = fread(config, sizeof(GatewayConfig), 1, file);fclose(file);return (read == 1);
}

9. 实际应用优化

9.1 性能优化

- 零拷贝技术：减少数据复制操作

- 轮询优化：使用select/epoll等机制提高I/O效率

- 预分配缓冲区：避免动态内存分配开销

9.2 可靠性提升

// 看门狗实现
void* WatchdogThread(void* arg) {GatewayContext* ctx = (GatewayContext*)arg;time_t lastActivity = time(NULL);while (!ctx->stopFlag) {time_t now = time(NULL);// 检查活动状态if (now - lastActivity > WATCHDOG_TIMEOUT) {// 记录事件LogEvent("Watchdog timeout detected");// 重置设备ResetDevice(ctx);lastActivity = now;}// 检查连接状态for (int i = 0; i < ctx->config.maxConnections; i++) {if (ctx->connections[i].isActive) {if (now - ctx->connections[i].lastActive > TCP_CONN_TIMEOUT) {// 关闭超时连接CloseConnection(&ctx->connections[i]);LogEvent("Connection timeout: %d", i);}}}sleep(1);}return NULL;
}

10. 实际部署案例

某工厂自动化系统实现：

1. 部署环境：

10个Modbus RTU传感器和执行器连接到透传网关，网关通过企业以太网与SCADA系统相连

2. 网关配置：

RTU: 9600bps, 8N1, RS-485
TCP: 内网固定IP, 端口502
直接地址映射

3. 性能指标：

响应时间：小于100ms
稳定性：连续运行时间>6个月
每分钟处理300+次数据交换

通过该透传方案，成功实现了传统设备的网络化改造，为工业物联网升级奠定基础。

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编程日记 2025/6/28 5:59:51

2025年渗透测试面试题总结-某360-企业蓝军面试复盘（题目+回答）

网络安全领域各种资源，学习文档，以及工具分享、前沿信息分享、POC、EXP分享。不定期分享各种好玩的项目及好用的工具，欢迎关注。目录 360-企业蓝军一、Shiro绕WAF实战方案二、WebLogic遭遇WAF拦截后的渗透路径三、JBoss/WebLogic反序…...

编程日记 2025/7/16 9:04:26

Atlas 800I A2 双机直连部署DeepSeek-R1-w8a8

一、环境信息 1.1、硬件信息 Atlas 800I A2 * 2 1.2、环境信息操作系统：openEuler 22.03 LTS NPU驱动：Ascend-hdk-910b-npu-driver 24.1.0 linux-aarch64.run NPU固件：Ascend-hdk-910b-npu-firware 7.5.0.3.220.run MindIE镜像&#xff…...

编程日记 2025/6/28 2:05:38

OpenHarmony 入门——ArkUI 跨页面数据同步和页面级UI状态存储LocalStorage小结（二）

文章大纲引言一、在代码逻辑使用LocalStorage二、从UI内部使用LocalStorage三、LocalStorageProp和LocalStorage单向同步四、LocalStorageLink和LocalStorage双向同步五、兄弟组件之间同步状态变量七、将LocalStorage实例从UIAbility共享到一个或多个视图引言前面一篇文章主…...

编程日记 2025/7/25 2:40:44

自我革命！优利德全面进入智能示波器时代

AI重构电子测试新范式春节期间，DeepSeek（深度求索）火遍全网。作为国内首个全面对标GPT-4技术架构的AI大模型，DeepSeek凭借其自主研发的通用大语言模型体系，涵盖了从7B到超千亿参数的完整模型矩阵，在数学推…...

编程日记 2025/7/26 11:02:29

Vue3 实战：基于 mxGraph 与 WebSocket 的动态流程图构建

本文将详细介绍如何在 Vue3 项目中集成 mxGraph 可视化库，并通过 WebSocket 实现画布元素的实时更新。适合有 Vue 基础的前端开发者学习参考。一、技术栈准备 Vue3：采用 Composition API 开发mxGraph：JavaScript 流程图库（版本 …...

编程日记 2025/7/20 12:31:40

Python-金融相关代码讲解

文章目录概要整体架构流程1.代码部分2.逐个讲解1）# -*- coding: utf-8 -*-2）基本库引入3）函数模块4）主程序小结1. 问题拆解思维2. 文件处理三件套3. 字典的妙用：4. 上下文管理器（with open...&#xff09…...

编程日记 2025/7/27 21:54:15

深度解读DeepSeek：开源周（Open Source Week）技术解读

深度解读DeepSeek：开源周（Open Source Week）技术解读深度解读DeepSeek：源码解读 DeepSeek-V3 深度解读DeepSeek：技术原理深度解读DeepSeek：发展历程文章目录一、开源内容概览Day1：FlashMLAD…...

编程日记 2025/7/25 5:05:31

【算法】十大排序算法(含时间复杂度、核心思想）

以下是 **十大经典排序算法** 的时间复杂度、空间复杂度及稳定性总结，适用于面试快速回顾：排序算法对比表排序算法最佳时间复杂度平均时间复杂度最差时间复杂度空间复杂度稳定性核心思想冒泡排序O(n)O(n)O(n)O(1)稳定相邻元素交换，大数沉底…...

编程日记 2025/7/24 10:45:27

TCP传输---计算机网络

TCP结构源端口和目标端口：标识通信的应用程序。序列号：标记发送的数据段的顺序序号。确认号 ( ACK)：确认接收到的数据序号。标志位：控制连接状态，包括 SYN（同步）、ACK（确认&#xf…...

编程日记 2025/7/16 22:04:56

创建vue2项目

1、前往 Node.js 官网下载并安装 Node.js，安装完成后，npm 会随之安装。确认 Node.js 和 npm 是否成功安装，可以在命令行中运行以下命令检查版本： node -v npm -v 运行结果：（如下，表示node和n…...

编程日记 2025/7/25 16:32:41

从投机到可持续发展：ETHDenver 2025 的关键启示！

ETHDenver 2025 重点讨论了 Web3 向可持续发展转型，特别强调了人才培养、去中心化治理和激励机制的紧密结合。Polkadot 一直以来的长期观点也进一步支持了行业从投机转向长期、社区驱动增长的趋势。随着 ETHDenver 2025 会议的的落幕，Polkadot 生态中的贡…...

编程日记 2025/7/17 9:12:41

WPS宏开发手册——使用、工程、模块介绍

目录系列文章前言1、开始1.1、宏编辑器使用步骤1.2、工程1.3、工程系列文章使用、工程、模块介绍 JSA语法第三篇练习练习题，持续更新中… 前言如果你是开发人员，那么wps宏开发对你来说手拿把切。反之还挺吃力，需要嘻嘻&#xf…...

编程日记 2025/7/27 11:47:53

操作系统为ubantu的服务器上部署nginx软件基础步骤总结

今天在这里，我们总结一下ubantu的服务器上部署nginx软件，请按照以下步骤进行安装： 1、更新包列表： 首先更新你系统中的可用软件包列表，以确保你可以安装最新版本。 sudo apt update2、 Ubuntu上更新已安装软件包&…...

编程日记 2025/7/27 10:48:42

批量给 PPT 文档添加或删除保护，批量设置打开密码和只读密码

为了保护保护档的安全，我们经常会给 PPT 文档添加打开密码或者只读密码保护。有些场景下，我们也可能会碰到需要删除 PPT 文档的打开密码或者只读密码的需求。今天就给大家介绍一种方法可以一次性批量给多个 PPT 文档添加打开密码或者只读密码保护&#x…...

编程日记 2025/7/17 1:19:56

Elasticsearch 中的数据分片问题

Elasticsearch 分片机制 Elasticsearch 在存储数据时采用分片（Shard）机制，以提高性能和可扩展性。它索引中的数据被划分成多个主分片（Primary Shard） 和副本分片（Replica Shard）&#xff0c…...

编程日记 2025/7/25 12:08:57

如何在IPhone 16Pro上运行python文件？

在 iPhone 16 Pro 上运行 Python 文件需要借助第三方工具或远程服务，以下是具体实现方法和步骤： 一、本地运行方案（无需越狱） 使用 Python 编程类 App 以下应用可在 App Store 下载，支持直接在 iPhone 上编写并运行 …...

编程日记 2025/7/24 19:04:27

Xinference安装、使用详细笔记

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档 Xinference安装、使用详细笔记支持推理引擎安装Xinference启动Xinference关于模型的推理引擎运行 qwen2.5-instruct管理模型官方详细文档：具体使用：对…...

编程日记 2025/7/25 14:57:54

NAT 模式

使用LVS的 NAT 模式实现 3 台RS的轮询访问。IP地址和主机自己规划。 1.节点规划主机角色系统网络IPclientclientredhat 9.5仅主机192.168.180.100/24lvslvsredhat 9.5仅主机 NAT192.168.180.200/24 VIP 192.168.72.8/24 DIPnginxrs1redhat 9.5NAT192.168.226.7/24nginxrs2r…...

编程日记 2025/7/26 11:29:31