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Modbus RTU 从站测试操作指南

1. 目的和范围

本指南将《测试报告.doc》中的测试项转换为现场可执行步骤，适用于 XDM-60T4-E（STM32F407）上的 Modbus RTU 从站工程。测试范围包括：

• 标准功能码：0x01、0x03、0x05、0x06、0x0F、0x10。
• 私有功能码：0x41、0x42、0x43。
• GPIO 输出、通信状态、RTU 帧间隔、UART 错误恢复、RTC 掉电保持。
• TouchWin 的扩展寄存器显示清除功能。

本工程的普通线圈和保持寄存器地址范围均为 0x0000..0x270F；从站地址为 1。私有功能码仅适用于本项目，不能作为标准 Modbus 功能码使用。

2. 测试前准备

2.1 测试设备

设备	用途
XDM-60T4-E	被测 Modbus RTU 从站
TG765-MT / TouchWin	HMI 及私有功能码联调
Modbus Poll	标准功能码读写与回读
USB-COM/RS-485 转换器	主站与从站通信
ST-LINK、IAR Embedded Workbench	下载、观察变量和调试
Sscom 或可构造原始帧的串口工具	CRC、短帧、站号和异常帧测试
ModbusTimingTester_3Baud	测量 T1.5/T3.5 和连续通信时序

2.2 接线与参数

1. 下载当前项目固件，重新上电或复位 XDM-60T4-E。
2. 按板卡接线图连接 USART1 的通信链路；确认 RS-485 A/B 极性、公共地和终端电阻。
3. 将主站配置为：115200 bit/s、8E1（8 位数据、偶校验、1 位停止）、从站地址 1。
4. Modbus Poll 使用零基地址。若软件显示 40001、00001 风格地址，先确认其地址换算设置，避免把显示地址当作协议报文地址。
5. Q1-Q7 输出测试前断开危险负载，或改接测试灯。板级输出为低有效，逻辑线圈置 1 时对应 GPIO 输出低电平。

2.3 通用记录规则

每条测试记录均应保存：测试时间、固件版本、主站工具及版本、请求帧、响应帧、响应时间、实际现象和判定结果。原始 RTU 帧中的 CRC 按低字节在前发送。

对于错误用例，先记录待验证的数据值，再发送错误帧，最后重新读取该数据值；只有数据未被改变才能判定数据安全测试通过。

3. 已知初始数据和 HMI 映射

3.1 上电后的初始数据

首次启动且没有有效 RTC 备份时，确认以下数据：

数据对象	预期值
线圈 0..2	1
保持寄存器 10..15	0x0000、0x0001、0x0010、0x0011、0x0100、0x0110
链路状态线圈 100	无有效通信时为 0
扩展寄存器 0x00010000	默认 0x1000，或有效 RTC 备份值

线圈 1..7 映射到 Q1-Q7。线圈 100 仅用于表示通信状态，不是普通输出线圈。

3.2 TouchWin 私有功能码映射

功能	TouchWin PSW
状态码 / 实际接收长度	PSW319 / PSW320
0x41 读取结果	PSW350
0x42 写入值	PSW351
0x43 起始基准地址 / 数量	PSW370 / PSW371
0x43 结果区	PSW372..PSW494

状态码 0 表示成功；1 为输入错误；2 为发送失败；3 为接收失败；4 为 CRC 错误；5 为响应错误；大于等于 0x8000 表示异常响应，低字节为 Modbus 异常码。

4. 功能测试

4.1 初始化与默认数据

**目的：**确认程序完成从站初始化、数据区初始化、GPIO 同步和通信状态初始化。

1. 复位被测设备，复位后不要立刻发送任何 Modbus 请求。
2. 使用 IAR Live Watch，或用 0x01/0x03 读取第 3.1 节列出的线圈和寄存器。
3. 读取线圈 100，确认通信状态未被提前置位。
4. 通过 0x41 读取扩展寄存器 0x00010000。

**通过条件：**所有初始数据与第 3.1 节一致；从站能响应地址为 1 的合法请求；线圈 100 在首次有效通信前为 0。

4.2 0x01 读取线圈

1. 读取线圈 0、线圈 1..7、线圈 100，记录各位值。
2. 分别测试数量 1、8、跨字节数量以及最大数量 2000。
3. 读取起始地址 0x0000、0x270F，再测试数量为 0、数量大于 2000、末地址超过 0x270F 的请求。

通过条件：

• 合法响应的功能码为 0x01，位图低位先对应较小地址，字节数为 ceil(数量/8)。
• 线圈 1..7 的读取结果与 Q1-Q7 的逻辑状态一致。
• 数量非法返回异常码 0x03；地址非法返回异常码 0x02；异常请求不得改变任何线圈。

4.3 0x03 读取保持寄存器

1. 读取寄存器 10..15，确认初始数据。
2. 分别读取数量 1、连续多个及最大数量 125。
3. 测试起始地址 0x0000、0x270F、数量为 0、数量大于 125 及越界地址。

**通过条件：**合法响应的寄存器数据为高字节在前；数量非法返回 0x03，地址非法返回 0x02，错误请求不修改寄存器。

4.4 0x05 和 0x06 单点写入

1. 对线圈 1 发送 0x05，依次写入 0xFF00 和 0x0000；每次写入后用 0x01 读回并观察 Q1。
2. 对保持寄存器 10 发送 0x06，依次写入 0x0000、0x1234、0xFFFF；每次写入后用 0x03 读回。
3. 向 0x05 发送非 0xFF00/0x0000 的值，向两个功能码发送越界地址。

通过条件：

• 0x05、0x06 成功响应回显完整请求内容。
• 写入值可被后续读取正确读回；线圈 1 的逻辑状态正确驱动 Q1。
• 非法线圈值返回 0x03，越界地址返回 0x02，原数据不变。

4.5 0x0F 和 0x10 批量写入

1. 使用 0x0F 写入 1 个线圈、8 个线圈、跨字节数量和最大数量 1968；读回确认每个线圈。
2. 使用 0x10 写入 1 个、多个和最大数量 123 个保持寄存器；用 0x03 读回确认。
3. 分别构造数量为 0、数量超限、字节数不匹配、实际帧长度不匹配和末地址越界的请求。

通过条件：

• 0x0F 响应回显起始地址和线圈数量；字节数必须为 ceil(线圈数量/8)。
• 0x10 响应回显起始地址和寄存器数量；字节数必须为 寄存器数量 x 2。
• 所有非法请求返回 0x02 或 0x03，且不得出现部分写入。

4.6 私有功能码 0x41、0x42 和 0x43

4.6.1 0x41 读取扩展寄存器

1. 在 TouchWin 执行 ReadExtendedRegister，或发送如下请求数据并补充 CRC：01 41 00 01 00 00 00 01。
2. 记录响应长度和返回的 16 位数据。
3. 分别发送错误扩展地址、数量不为 1 和帧长度不为 10 字节的请求。

**通过条件：**仅地址 0x00010000 且数量为 1 时成功；正常响应总长度为 7 字节，数据字节数为 2；错误地址返回 0x02，错误数量或帧长度返回 0x03。

4.6.2 0x42 写入扩展寄存器

1. 在 PSW351 依次填写 0x0000、0xBEEF 和 0xFFFF，执行 WriteExtendedRegister；或发送 01 42 00 01 00 00 <值高字节> <值低字节> CRC_L CRC_H。
2. 检查响应是否回显 32 位地址和写入值。
3. 立即使用 0x41 读取，确认返回值与写入值一致。
4. 使用错误扩展地址测试异常响应。

**通过条件：**正常响应总长度为 10 字节且与请求的地址、数值一致；错误地址返回 0x02；仅成功的 0x42 写入触发 RTC 备份。

4.6.3 本地清除显示

1. 使用 0x42 向扩展寄存器写入非零值，例如 0xBEEF。
2. 用 0x41 读取，确认 PSW350 显示 0xBEEF。
3. 执行 TouchWin 的 ClearExtendedResult，确认 PSW350 变为 0。
4. 再次执行 0x41 读取。

**通过条件：**清除操作只修改 TouchWin 本地 PSW350，不发送 Modbus 帧、不修改 PLC 扩展寄存器、不触发 RTC 保存；第 4 步仍应读回 0xBEEF。

4.6.4 0x43 奇数地址读取

1. 先用 0x06 或 0x10 写入可识别数据：D1=0x1234、D3=0xABCD、D5=0x0001；必要时也为 D11、D13、D15 写入不同值。
2. 设置 PSW370=0、PSW371=3，执行 ReadOddCountRegisters。
3. 确认 PSW372..PSW374 分别显示 D1、D3、D5 的值。
4. 设置 PSW370=10、PSW371=3，确认依次返回 D11、D13、D15。
5. 设置数量为 1 和 123；再设置为 0、2、122、124，并测试最后一个奇数地址越界。

通过条件：

• 从不小于起始地址的第一个奇数地址开始，每次地址加 2。
• 数量必须是 1..123 的奇数；数量非法返回 0x03。
• 最后一个待读奇数地址超过 0x270F 时返回 0x02。
• 数量 123 时响应长度为 251 字节，数据字节数为 246。

4.7 GPIO 和通信状态

1. 用 0x05 或 0x0F 逐一置位、复位线圈 1..7，观察 Q1-Q7 或测试灯。
2. 发送一帧已寻址的正常请求，读取线圈 100 并观察通信指示灯。
3. 停止发送已寻址的有效请求，直到超过配置的 3000 个系统节拍，再读取线圈 100。
4. 连续发送 CRC 错误帧、非本机站号帧和广播读请求，确认通信状态不被错误刷新。
5. 发送一帧产生 Modbus 异常响应的已寻址请求，确认其能够刷新通信状态。

**通过条件：**线圈 1..7 与 Q1-Q7 一一对应；逻辑 1 输出低电平；有效已寻址的正常响应、广播写和异常响应会使线圈 100=1 并点亮指示灯；通信超时后线圈 100=0 且指示灯熄灭。

4.8 广播、异常帧和非本机站号

1. 对 0x05、0x06、0x0F、0x10 使用站号 0 发送合法广播写请求，随后读取目标数据。
2. 使用站号 0 发送读请求及私有功能码请求。
3. 分别发送错误 CRC、短帧、超过 256 字节的长帧、站号 2 的请求、未支持功能码、非法地址和非法数量请求。
4. 每个错误请求前后都读取相关线圈、保持寄存器和扩展寄存器。

**通过条件：**合法广播写修改数据但不产生响应；广播读和私有功能码广播被忽略；错误 CRC、短帧、长帧和非本机站号不得修改数据；非广播的非法功能码、地址和值分别返回异常码 0x01、0x02、0x03。

4.9 错误码与异常响应

**目的：**验证从站对可识别的非法请求返回正确 Modbus 异常码，并验证 TouchWin 能正确显示异常结果。

1. 使用 Sscom 或能发送原始 RTU 帧的工具，对站号 1 发送下表中的请求。每一帧均应使用正确 CRC。
2. 记录响应的站号、异常功能码、异常码和 CRC；异常功能码必须等于原功能码与 0x80 按位或的结果。
3. 使用 TouchWin 发送 0x41、0x42、0x43 的错误请求，确认 PSW319 大于等于 0x8000，且其低字节等于下表的异常码。

编号	请求场景	预期异常功能码	预期异常码	说明
EC-01	发送未支持的功能码，例如 0x7F	0xFF	0x01	非法功能码
EC-02	0x01/0x03 读取数量为 0 或超过上限	原功能码 \| 0x80	0x03	非法数据值
EC-03	标准读写的起始地址或末地址超出 0x270F	原功能码 \| 0x80	0x02	非法数据地址
EC-04	0x05 写入值不是 0xFF00 或 0x0000	0x85	0x03	非法线圈写入值
EC-05	0x0F/0x10 的数量、字节数或帧长度不匹配	0x8F/0x90	0x03	非法数量或数据长度
EC-06	0x41 的地址不是 0x00010000	0xC1	0x02	非法扩展地址
EC-07	0x41 的数量不是 1	0xC1	0x03	非法扩展寄存器数量
EC-08	0x42 的地址不是 0x00010000	0xC2	0x02	非法扩展地址
EC-09	0x43 的数量为 0、偶数或大于 123	0xC3	0x03	非法奇数地址读取数量
EC-10	0x43 的最后一个待读地址超过 0x270F	0xC3	0x02	奇数地址读取越界

**无响应场景：**错误 CRC、非本机站号、广播读请求和私有功能码广播请求都不返回 Modbus 异常帧。此时应记录为“无响应”，并确认目标数据没有变化，不能误判为异常码返回失败。

**通过条件：**每个可识别的非法单播请求均返回 5 字节异常响应，响应站号为 1，异常功能码和异常码与表格一致，CRC 正确；每个无响应场景均不修改线圈、普通保持寄存器或扩展寄存器。

5. 性能和稳定性测试

5.1 RTU 帧间隔和连续通信

1. 使用串口工具或逻辑分析仪构造三类报文：正常字节间隔、小于 T1.5 的连续字节间隔、超过 T1.5 的字节间隔。
2. 在一帧结束后保持至少 T3.5 的静默时间，再发送下一帧。
3. 循环发送 0x01、0x03、0x05、0x10 的混合请求。建议连续运行不少于 10 分钟，并记录总帧数和异常次数。

**通过条件：**正常帧完整处理；字节间隔超时的帧被丢弃且不执行写入；达到 T3.5 后仅处理一次完整帧；连续运行不出现粘帧、重复处理、接收停止或任务阻塞。

5.2 UART 错误恢复

1. 在接收一帧请求中途拔插通信线、制造串口溢出，或使用工具中断接收。
2. 读取目标数据，确认异常帧未执行。
3. 恢复通信线后发送一帧合法 0x03 或 0x06 请求。
4. 重复上述过程至少 3 次。

**通过条件：**异常帧不参与协议解析且不修改数据；接收恢复后可稳定处理下一帧有效请求；恢复动作不依赖系统复位。

6. 掉电保持测试

1. 确认 PLC 的 VBAT 供电条件满足 RTC 备份要求。
2. 使用 0x42 将扩展寄存器写为 0xBEEF。
3. 使用标准写功能码修改普通保持寄存器，例如 D0/D31，以及线圈，例如 0/15。
4. 对 PLC 断电后重新上电。
5. 用 0x41 读取扩展寄存器，用 0x01/0x03 读取普通线圈和保持寄存器。

**通过条件：**地址 0x00010000 恢复为 0xBEEF；普通保持寄存器和线圈不应被 RTC 备份数据覆盖；若 VBAT 未接入或备份记录的魔数、版本、CRC 无效，则扩展寄存器应使用默认值而不是损坏值。

7. 测试完成判定

所有测试项均应记录为“通过、失败或阻塞”。满足以下条件时可判定本轮测试通过：

• 所有标准和私有功能码的正常用例通过。
• 所有异常用例均返回预期结果，且未修改不应修改的数据。
• Q1-Q7、线圈 100 和通信指示灯行为正确。
• 所有可识别的错误请求均返回正确异常功能码和异常码；无响应场景未产生数据修改。
• 连续通信、RTU 帧间隔和 UART 错误恢复未出现卡死或错误写入。
• RTC 掉电保持只恢复扩展寄存器。

失败项应记录：复现步骤、请求/响应原始帧、固件版本、影响范围、修复提交和回归测试结果。