Python Modbus-RTU 串口编程中结构数据收发的相关问题
目录
- Python Modbus-RTU 串口编程中结构数据收发的相关问题
- 一、引言
- 二、问题
- 三、解决方案
一、引言
异步串口通信往往是以字符（字节）为单位进行的，但在很多情况下，需要用串口收发具有规定结构的一组数据（数据帧或数据包），例如 Modbus-RTU 的数据帧。为了防止丢失数据或粘包的现象发生，往往会采用以下几种措施：
1. 使用定界符来区隔数据帧或数据包，这种方法对于ASCII字符的传输是比较有效的，但其问题是不支持完全透明的二进制数据传输。
2. 在两个连续发送的数据帧或数据包之间设置保护时间间隔，保证收发的完整性，其缺点是会增加时间开销，降低收发能力。
3. 采用请求 - 响应的方式进行数据收发，它适合在一个接口上有多个发送源的场合，Modbus-RTU 就采用这种方式。
理论上，采用上述措施以后，可以在传输中保证数据结构的完整性。但是，在实现接口程序中我们发现，在这方面有些编程的具体问题还需要解决。
二、问题
如前所述，Modbus-RTU 是用 请求 - 响应方式进行通信的（Modbus-TCP 也一样）。在一个 RS-485 串行接口上，有一个 Modbus 主站和一个或多个 Modbus 从站，在交互过程中，由主站发送命令，命令中带有从站标识，标识所指定的从站收到命令后发送响应。
用 Python 编程实现 Modbus-RTU 主站通信模块的流程如下：
1. 等待调用者从队列发送的请求；
2. 收到请求后，向串行接口发送一个Modbus-RTU 命令帧；
3. 等待从站的响应；
4. 收到从站完整的响应帧以后，将其转发给调用者。
下面是这段程序的实现（用 pyserial_asyncio 模块）：
import serial_asyncio
......
class SerialModbusRTU
......
async def write_to_serial(self):
while self.running:
# 从其他线程输入的请求在 self.north_input_queue 中，为防止异步协程被阻塞，
# 只有其不为空时才进行后续操作
while self.north_input_queue.empty():
await asyncio.sleep(0.05)
# 从队列中获取调用者的请求数据（Modbus-RTU 命令帧）
frm = self.north_input_queue.get()
try:
# 将命令帧发送给从站
self.writer.write(frm)
await self.writer.drain()
# 等待从站的响应，设置超时时间为4秒
data = await asyncio.wait_for(self.reader.read(1000), timeout=4)
# 将响应收到的数据从另一个队列返回给调用者
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
# 如果超时，返回超时报告（编码为1）
except TimeoutError as e:
print(self.module_name + '.write_to_serial ', e)
data = make_error_report(self.module_code, 1)
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
# 发生其他错误，报告其他错误（编码为2）
except Exception as e:
print(self.module_name + '.write_to_serial ', e)
data = make_error_report(self.module_code, 2)
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
self.running = False
self.writer.close()这段程序开始运行时比较正常，没有发现什么问题。但在与一种新的传感设备连接时，却发现时常有接收到不完整帧的现象发生。经过硬件测试分析，发现这种传感设备在发送数据时，会有几个毫秒的停顿，这时，就会发生接收不完整的现象。
三、解决方案
为了解决上述问题，最直接的方法就是对接收到的数据进行解析，如果没有完成，就继续等待，直至收到完整的数据帧。
在分析中发现，在通信过程中这种停顿的时间很短，只有一两个毫秒，而且一次交互中返回的数据包也不是很长，一般只有十几到一百多个字节。根据这种情况，我们采用了一种简化方法，具体做法如下：
完成第一次接收以后，再一次启动等待接收，调整接收的超时时间，使得既不漏掉停顿后发送的数据，也不至于等待时间过长而引起的通信效率下降。修改后的程序如下（见其中“增加的代码段”和“增加结束”两个注释之间的代码）：
async def write_to_serial(self):
while self.running:
# 从其他线程输入的请求在 self.north_input_queue 中，为防止异步协程被阻塞，
# 只有其不为空时才进行后续操作
while self.north_input_queue.empty():
await asyncio.sleep(0.05)
# 从队列中获取调用者的请求数据（Modbus-RTU 命令帧）
frm = self.north_input_queue.get()
try:
# 将命令帧发送给从站
self.writer.write(frm)
await self.writer.drain()
# 等待从站的响应，设置超时时间为4秒
data = await asyncio.wait_for(self.reader.read(1000), timeout=4)
# 增加的代码段
try:
# 第二次接收，接收停顿后发送的部分数据，超时设为20ms，需要根据具体情况选择
data = data + await asyncio.wait_for(self.reader.read(1000), timeout=0.02)
= except TimeoutError as e:
# 第二次接收的超时处理，如果超时，表示没有停顿，接收完成，打印即可
print(‘接收完成’)
# 增加结束
# 将响应收到的数据从另一个队列返回给调用者
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
# 如果超时，返回超时报告（编码为1）
except TimeoutError as e:
print(self.module_name + '.write_to_serial ', e)
data = make_error_report(self.module_code, 1)
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
# 发生其他错误，报告其他错误（编码为2）
except Exception as e:
print(self.module_name + '.write_to_serial ', e)
data = make_error_report(self.module_code, 2)
local_var.fw_south_input_queue.put(data)
self.running = False
self.writer.close() 修改后，就能够确保接收到完整的Modbus数据帧了。如果修改后仍然会收到不完整的数据包，可以延长第二次读串口的等待时间（程序中是20ms）。
相对于加入数据包解析方法，这种解决方案简单易行，降低了程序的复杂性。与此同时，由于不需要解析数据，所以它对数据格式的适应性也很好。
这种方法也适用于引言中的第 2 种情况。
应当注意的是：和解析的方式相比，使用这种方法的限制是需要两个数据包之间有保护时间，而且第二次读串口的等待时间要小于数据包之间的保护时间。
