基于Python的Modbus从机快速实现：30行代码搭建RTU模拟器

在工业通信和嵌入式开发中，Modbus协议因其简单可靠而广泛应用。通常，协议开发需要有真实的从机设备才能调试。但在项目前期或需要快速验证时，手头可能没有物理设备。此时，一个能够模拟Modbus从机的软件工具就显得尤为重要。

利用Python可以非常便捷地实现这一需求，它丰富的库生态能帮助我们快速构建各种工具和模拟程序。

1. 核心实现代码

以下是使用 modbus_tk 库实现的一个简易Modbus RTU从机服务器代码，仅需约30行：

#!/usr/bin/env python3
import modbus_tk.modbus_rtu as modbus_rtu
import serial
from modbus_tk import defines as cst
from modbus_tk import modbus_rtu
import time

MAX_REGISTERS = 10
SLAVE_ADDRRESS = 2
BAUDRATE = 9600
PORT = '/dev/pts/5'  # 虚拟串口路径

def modbus_server_running():
    server_port = serial.Serial(port=PORT, baudrate=BAUDRATE, bytesize=8, parity='N', stopbits=1)
    server = modbus_rtu.RtuServer(server_port)
    slave = server.add_slave(SLAVE_ADDRRESS)
    slave.add_block('0', cst.HOLDING_REGISTERS, 0, MAX_REGISTERS) # 添加保持寄存器块

    for i in range(MAX_REGISTERS):
        slave.set_values('0', i, i)  # 初始化寄存器值
        value=slave.get_values('0', i)
        print(f"reg: {i} <{value}>")

    server.start()
    print(f"Modbus server started on {PORT} with slave {SLAVE_ADDRRESS}")

    try:
        while True:
            time.sleep(100)
    except KeyboardInterrupt:
        print("Stopping server...")
        server.stop()

if __name__ == "__main__":
    modbus_server_running()

运行此脚本后，一个Modbus从机（地址为2）即在指定串口上启动。主设备（如另一段Python代码、PLC或上位机软件）可连接至此串口，对其进行保持寄存器的读写操作，从而在没有物理从机的情况下完成协议开发与测试。

2. 环境搭建

以下以Linux环境为例，介绍如何搭建所需的Python运行环境：

# 确保Python版本 ≥ 3.6
sudo apt update
sudo apt install python3 python3-venv python3-pip

# 创建并进入Python虚拟环境（推荐）
python3 -m venv ~/venv/modbus
source ~/venv/modbus/bin/activate

# 安装必要的Python模块
python -m pip install -U pip
python -m pip install -U modbus_tk pyserial

安装完成后，为脚本添加执行权限即可运行：

chmod +x modbus_slave.py

3. 虚拟串口配置

为了在单台计算机上模拟主从机通信，我们需要创建一对虚拟串口。

1. 安装工具：
   使用 socat 工具可以方便地创建虚拟串口对。

   sudo apt-get install socat

2. 创建虚拟串口对：
   执行以下命令：

   socat -d -d pty,raw,echo=0 pty,raw,echo=0

   命令输出类似：

   2024/01/01 10:00:00 socat[12345] N PTY is /dev/pts/3
   2024/01/01 10:00:00 socat[12345] N PTY is /dev/pts/4

   

   这里创建了两个虚拟串口，例如 /dev/pts/3 和 /dev/pts/4。它们成对出现，一端写入的数据会从另一端读出。

3. 配置脚本：
   将Python脚本中的 PORT 变量设置为其中一个串口（如 /dev/pts/3）。你的Modbus主机程序（可以是另一段代码或测试工具）则连接另一个串口（如 /dev/pts/4）。这样便实现了主机与模拟从机之间的串口通信。

4. 虚拟串口测试

创建虚拟串口后，可以通过简单的命令测试其连通性：

• 在一个终端监听数据（例如监听 /dev/pts/3）：

  od -vtx1c /dev/pts/3  # 以十六进制和ASCII格式显示接收到的数据
  # 或使用 od -w1 -tx1c /dev/pts/3 设置为每收到1字节就立即显示

• 在另一个终端发送数据（例如向 /dev/pts/4 发送）：

  echo -ne "\x30\x3212345678901234" > /dev/pts/4

  此时，第一个监听终端将会收到并打印出发送的数据。这验证了虚拟串口对的通路是正常的。

总结

通过上述步骤，我们利用 modbus_tk 和 pyserial 等Python库快速构建了一个功能完整的Modbus RTU从机模拟器。该方法不仅适用于RTU协议，modbus_tk 库同样支持TCP协议，并且也提供了主站（客户端）功能。这套方案能极大提升前期开发与测试效率，是协议工程师和嵌入式开发者的实用工具。