TrainCamp_lipengpeng_Modbus/mymodbus.cpp

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* Copyright (C) 2025-.
*
* File Name: mymodbus.cpp
* Description: Modbus RTU协议封装类，支持线圈和寄存器的读写操作
* Others:
* Version: 1.0
* Author: lipengpeng
* Date: 2025-7-23
*
******************************************************************************/

#include "mymodbus.h"

/**
 * @brief MyModbus类构造函数
 * @note 初始化默认Modbus参数：站地址=1，功能码=0x01(读线圈)，
 *       起始地址=256，数据长度=1
 */
MyModbus::MyModbus()
{
    this->stationAddress_ = 1;         // 默认站地址
        this->functionCode_ = 0x01;    // 默认功能码(读线圈)
        this->startAdress_ = 256;      // 默认起始地址
        this->length_ = 1;             // 默认数据长度
}

/**
 * @brief 设置Modbus通信参数
 * @param stationAddress 从站地址
 * @param functionCode 功能码
 * @param startAdress 起始地址
 * @param length 数据长度
 */
void MyModbus::Set(quint16 stationAddress, quint16 functionCode, quint16 startAdress, quint16 length)
{
    this->stationAddress_ = stationAddress;
    this->functionCode_ = functionCode;
    this->startAdress_ = startAdress;
    this->length_ = length;

}

/**
 * @brief 生成读取线圈/寄存器的Modbus命令
 * @note 命令结构：[站地址][功能码][起始地址Hi][起始地址Lo][长度Hi][长度Lo][CRC Lo][CRC Hi]
 */
void MyModbus::ReadCoilAndReg()
{
    sendCommand_.clear();
    // 构建标准读命令帧
    sendCommand_.append(stationAddress_%256);
    sendCommand_.append(functionCode_%256);
    sendCommand_.append(startAdress_/256);
    sendCommand_.append(startAdress_%256);
    sendCommand_.append(length_/256);
    sendCommand_.append(length_%256);

    // 计算并附加CRC校验
    quint16 temp = CalculateCrc(sendCommand_);
    sendCommand_.append(temp%256);  // CRC低字节在前
    sendCommand_.append(temp/256);  // CRC高字节在后
}

/**
 * @brief 生成写线圈命令
 * @param coils 要写入的线圈状态数组
 * @note 命令结构：[站地址][0x0F][起始地址Hi][起始地址Lo][数量Hi][数量Lo][字节数][数据...][CRC]
 */
void MyModbus::WriteCoil(QVector<bool> &coils)
{
    quint16 coilCount = coils.size();
    int byteCount = (coilCount + 7) / 8;  // 计算所需字节数(每字节8位)

    sendCommand_.clear();
    sendCommand_.append(stationAddress_%256);
    sendCommand_.append(0x0F);  // 写多个线圈功能码
    sendCommand_.append(startAdress_/256);
    sendCommand_.append(startAdress_%256);
    sendCommand_.append(coilCount/256);  // 线圈数量
    sendCommand_.append(coilCount%256);
    sendCommand_.append(byteCount);  // 后续字节数

    // 打包线圈状态到字节
    for (int i = 0; i < byteCount; ++i)
    {
        quint8 byte = 0;
        for (int j = 0; j < 8; ++j)
        {
            int bitIndex = i * 8 + j;
            // 只处理有效范围内的线圈
            if (bitIndex < coils.size() && coils[bitIndex])
            {
                byte |= (1 << j);  // 设置对应位
            }
        }
        sendCommand_.append(static_cast<char>(byte));
    }

    // 计算并附加CRC校验
    quint16 temp = CalculateCrc(sendCommand_);
    sendCommand_.append(temp%256);
    sendCommand_.append(temp/256);
}

/**
 * @brief 生成写寄存器命令
 * @param values 要写入的寄存器值数组
 * @note 命令结构：[站地址][0x10][起始地址Hi][起始地址Lo][数量Hi][数量Lo][字节数][数据Hi][数据Lo...][CRC]
 */
void MyModbus::WriteRegister(QVector<quint16> &values)
{
    sendCommand_.clear();
    sendCommand_.append(stationAddress_%256);
    sendCommand_.append(0x10);  // 写多个寄存器功能码
    sendCommand_.append(startAdress_/256);
    sendCommand_.append(startAdress_%256);
    sendCommand_.append(values.size()/256);  // 寄存器数量
    sendCommand_.append(values.size()%256);
    sendCommand_.append(static_cast<char>(values.size() * 2));  // 后续字节数(每个寄存器2字节)

    // 打包寄存器值(高位在前)
    for (quint16 v : values)
    {
        sendCommand_.append(static_cast<char>((v >> 8) & 0xFF));  // 高字节
        sendCommand_.append(static_cast<char>(v & 0xFF));         // 低字节
    }

    // 计算并附加CRC校验
    quint16 temp = CalculateCrc(sendCommand_);
    sendCommand_.append(temp%256);
    sendCommand_.append(temp/256);
}

/**
 * @brief 获取生成的Modbus命令
 * @return 完整的Modbus命令字节数组
 */
QByteArray MyModbus::SendCommand()
{
    return sendCommand_;
}

/**
 * @brief 处理接收到的Modbus响应
 * @param revMessage 接收到的原始报文
 * @return 处理后的有效数据部分(移除地址/功能码/CRC)
 * @note 执行站地址匹配和CRC校验
 */
QByteArray MyModbus::Receive(const QByteArray &revMessage)
{
    receive_.clear();

    // 最小长度检查：站地址1 + 功能码1 + CRC2
    if(revMessage.size() < 4)
    {
        return receive_;  // 返回空数组表示无效报文
    }

    // 站地址匹配检查
    if(static_cast<quint8>(revMessage[0]) != stationAddress_)
    {
        return receive_;
    }

    // CRC校验检查
    if (!CrcCheck(revMessage))
    {
        return receive_;
    }

    this->receive_ = revMessage;
    return receive_;
}

/**
 * @brief 检查Modbus异常响应
 * @return 0-正常响应, >0-Modbus异常码, -1-响应报文错误
 */
int MyModbus::ErrorCheck()
{
    // 异常响应最小长度：地址1 + 异常功能码1 + 异常码1 + CRC2
    if(receive_.size() < 5)
    {
        return -1;  // 响应报文错误
    }

    // 检查功能码高位(异常响应标志)
    if ((receive_.at(1) & 0x80) == 0x80)
    {
        return static_cast<quint8>(receive_.at(2));  // 返回异常码
    }
    return 0;  // 正常响应
}

/**
 * @brief 解析读取线圈的响应数据
 * @return 线圈状态数组
 */
QVector<bool> MyModbus::AnalReadCoil()
{
    QVector<bool> coil;
    // 最小长度检查：地址1+功能码1+字节数1+数据1+CRC2
    if(receive_.size() < 6)
    {
        return coil;
    }

    quint8 byteCount = static_cast<quint8>(receive_[2]);  // 数据字节数

    // 解析每个数据字节
    for (int byteIndex = 0; byteIndex < byteCount; byteIndex++)
    {
        quint8 byteValue = static_cast<quint8>(receive_[3 + byteIndex]);

        // 解析字节中的每个位(线圈状态)
        for (int bitIndex = 0; bitIndex < 8; bitIndex++)
        {
            int coilIndex = byteIndex * 8 + bitIndex;
            if (coilIndex < length_)
            {
                // 只处理请求的长度
                coil.append(byteValue & (1 << bitIndex));
            }
        }
    }
    return coil;
}

/**
 * @brief 解析读取寄存器的响应数据
 * @return 寄存器值数组
 */
QVector<quint16> MyModbus::AnalReadReg()
{
    QVector<quint16> registers;
    // 最小长度检查：地址1+功能码1+字节数1+数据2+CRC2
    if(receive_.size() < 7)
    {
        return registers;
    }

    int byteCount = receive_.at(2);  // 数据字节数
    QByteArray data = receive_.mid(3, byteCount);  // 提取数据部分

    // 每两个字节组合为一个寄存器值(高位在前)
    for (int i = 0; i < data.size(); i += 2)
    {
        quint16 high = static_cast<quint8>(data[i]);
        quint16 low = static_cast<quint8>(data[i+1]);
        registers.append((high << 8) | low);
    }
    return registers;
}

/**
 * @brief 计算Modbus CRC16校验码
 * @param data 输入数据字节数组
 * @return CRC16校验值
 * @note 使用MODBUS标准多项式0xA001(0x8005的反转)
 */
quint16 MyModbus::CalculateCrc(const QByteArray &data)
{
    quint16 crc = 0xFFFF;  // MODBUS初始值
    const quint16 polynomial = 0xA001;  // MODBUS多项式（0x8005的反转）

    for (int i = 0; i < data.size(); ++i)
    {
        crc ^= static_cast<quint8>(data.at(i));  // 异或当前字节

        // 处理每个字节的8位
        for (int bit = 0; bit < 8; ++bit)
        {
            if (crc & 0x0001)
            {
                // 检查最低位
                crc = (crc >> 1) ^ polynomial;  // 右移并且异或多项式
            } else
            {
                crc >>= 1;  // 仅右移
            }
        }
    }
    return crc;
}

/**
 * @brief 校验接收数据的CRC
 * @param data 完整接收数据(包含末尾CRC)
 * @return true-CRC校验通过, false-校验失败
 */
bool MyModbus::CrcCheck(const QByteArray &data)
{
    //首先对接收报文的长度进行检验
    if (data.size() < 3)
    {
        return false;
    }
    //对接收的报文进行CRC校验
    QByteArray payload = data.left(data.length() - 2);

    //分离接收值的crc校验位
    quint8 receivedCrcLow = static_cast<quint8>(data.at(data.length() - 2));
    quint8 receivedCrcHigh = static_cast<quint8>(data.at(data.length() - 1));

    //计算返回的报文的crc
    quint16 crc = CalculateCrc(payload);
    quint8 calcCrcLow = crc & 0xFF;
    quint8 calcCrcHigh = (crc >> 8) & 0xFF;

    //比较计算的crc值和接收到的crc值是否一致
    if(calcCrcLow == receivedCrcLow && calcCrcHigh == receivedCrcHigh)
    {
        return true;
    }
    else
    {
        return false;
    }
}