CN217508790U - 一种多功能Modbus设备测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多功能Modbus设备测试装置，包括所述MCU分别连接有多个232/422/485串口、以太网接口以及USB接口以及存储有固件的存储器，其中以太网接口为具备兼容Modbus TCP/IP协议的模块，能够接入并识别Modbus TCP/IP协议传输信号的线路，所述232/422/485串口接收串口数据后经所述MCU转换可经由以太网接口(1)以Modbus协议支持的数据输出，具有多个232/422/485串口和以太网接口，支持串口与以太网的Modbus协议转换基础功能。模块化设计，可更新网络协议栈，可安装用户测试用例程序，具备文件系统、日志等可裁剪功能组件，独立的用户接口(USB、无线网和蓝牙接口)可方便用户或测试人员配置本装置的运行参数、导入导出数据。

Description

一种多功能Modbus设备测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种测试装置，具体涉及一种多功能Modbus设备测试装置。

背景技术

对Modbus设备的测试通常使用IDA(Interface for Distributed Automation,分布式自动化接口)组织提供的Modbus Poll和Modbus Slave协议测试软件工具。其中Poll是Modbus主站设备仿真器，用于测试和调试Modbus从设备；Slave是用来模拟Modbus从设备的软件，能接收主设备的命令包，并回送数据包，用于测试和调试Modbus主站设备；这两个软件工具都是安装运行在Windows操作系统中，能够观察、记录Modbus通信过程中的各种报文数据。

但Modbus Poll和Modbus Slave只是工具软件，Windows系统的限制导致不支持非标准硬件，例如更高速率的串口；在系统联调、系统/集成测试中，不能监控整个系统运行的协调性、一致性，不能满足主站和从站的性能测试要求，仅作协议一致性测试等局限性；通常测试从站设备时，需要满足更高速率的异步串口通信，而Modbus Poll和Slave软件只支持最高256Kbps 特定的波特率。例如，支持Modbus PLUS的从设备使用1Mbps或更高的串口通信速率，这就需要专用的硬件扩展卡和适配操作系统下的软件来驱动；使用Modbus Poll和Slave软件工具，不能同时测试和调试Modbus主站和从站设备。例如模拟主站，测试从站设备时，需要断开从站设备与系统Modbus服务器的连接，把从设备的串口接到测试计算机上。这在系统联调、系统/集成测试中，不能监控整个系统运行的协调性、一致性；ModbusPoll和Slave软件工具用于协议功能的测试，不能满足主站和从站的性能测试。例如长时间稳定运行的报文错误率/丢包率统计，转发延迟、应答超时的准确测量(精确到us)等传输层的诊断和监控；对长期运行监控记录的数据，没有便捷的自动过滤筛选功能。例如，查找从设备应答的一个异常码的报文，几乎人工筛选的方式，查找捕获的二进制(RTU或ASCII格式)报文，在毫秒级的通信周期中就可能产生上百甚至更多的报文，筛选效率低下，容易遗漏或出错；没有可扩展的测试数据接口，测试数据的输入/输出方法受限导致的不便。例如，设备ID，寄存器地址等需要人工录入，效率低且容易出错。不能注入异常、错误的报文，也就不能验证Modbus设备的容错能力。例如，不能发送校验位错误的异常报文；Modbus Poll和Modbus Slave协议测试软件与本实用新型相近的实现方案：1)能模拟Modbus主设备，也能模拟Modbus从设备，能分别测试、调试Modbus主站设备，分别测试、调试多个从设备；2)支持Modbus RTU、 ASCII、TCP/IP等协议模式；3)支持串口数据报文的抓取；4)支持Modbus标准协议功能；5)

支持数据记录到txt、excel文本格式；6)多种报文显示格式；7)数据流量监测；现有的Modbus Poll和Modbus Slave协议测试软件工具有以下局限性：1)不能同时监听Modbus主站与从设备通信数据。例如在测试从设备时，用Modbus Poll模拟服务器请求从设备数据，需断开主站与从设备的通信链路，把从设备的通信端口连接到测试机上；2)不能在长期稳定运行试验中监听、追踪、记录被测系统的错误、故障信息；3)仅OLE/自动化与ExcelVBA的连接方式导入测试数据，不能输入测试用例、测试程序，用户接口受限；4)不支持更高的串口自定义速率，不支持用户自定义的协议，测试范围受限。例如16Mbps的串口速率，自定义的MB+安全协议；5)不能注入错误、故障信息，例如错误的CRC校验码；6)

依赖于Windows系统的PC机，体积大、成本高，使用不方便，且实时性差。不能准确测量数据响应、延迟时间，不能监测通信链路层等应用层以下的通信协议。7)不能同时测试和调试Modbus主站和从站设备，测试效率低，不适合在系统联调。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种多功能Modbus设备测试装置。

本实用新型的技术方案如下：一种多功能Modbus设备测试装置，包括:

硬件层的MCU，所述MCU分别连接有多个232/422/485串口、以太网接口以及USB接口以及存储有固件的存储器，其中以太网接口为具备兼容Modbus TCP/IP协议的模块，能够接入并识别Modbus TCP/IP协议传输信号的线路，所述232/422/485串口接收串口数据后经所述 MCU转换可经由以太网接口以Modbus协议支持的数据输出。

所述232/422/485串口设置有物理隔离保护措施。

所述MCU可同时接收来自所述232/422/485串口和所述以太网接口的数据。

供所述MCU执行的存储在所述存储器内的固件是以结构体的形式存储，结构体包含：面板、设置在面板上的闪存块、面板上MCU输入引脚、MCU输出引脚。

通过以太网接口与外部Modbus服务器双向连接，通过所述232/422/485串口与外部设备双向连接，物理隔离保护措施采用的电压隔离芯片，所述232/422/485串口通信芯片选用SP485，串口信号通过光耦隔离器与所述MCU连接，光耦隔离器和串口通信芯片链接。

所述MCU接收来自所述232/422/485串口与以太网接口的数据并进行Modbus协议互转，所述MCU通过以太网接口和所述232/422/485串口，监听整个Modbus网络上的连接的外部设备的运行数据，自动搜集、追踪外部设备错误、异常、故障等信息并通过USB接口向外传输。

所述外部设备可以是开关、PLC控制系统、驱动、人机接口。

所述以太网接口还设有ETH PHY芯片，部署在外部Modbus设备信号通过以太网接口进入所述MCU之前，与所述MCU通信连接。

所述USB接口包含USB物理接口、与USB物理接口通信连接的PHY芯片，所述PHY芯片作为信号传输中间器件桥接所述USB物理接口与所述MCU。

所述存储器为SPI Flash芯片，所述MCU通过内存模块调用存储器存储的固件，并通过调试接口获取外部设备的信号。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所述的一种多功能Modbus设备测试装置，以“被动”测试方式，监听整个 Modbus网络上的主站/服务器和从设备之间的通信数据，自动搜集、追踪、记录设备错误、异常、故障信息，辅助测试人员在规定的试验环境应力下对整个系统运行稳定性、健康状态的监视；测试装置以“主动”测试方式，通过网络注入故障信息，以验证被测产品或系统对所注入故障的反应，帮助测试人员回收信息以便分析；测试装置具备可扩展的测试用例库，除标准的协议一致性测试，还支持用户以脚本文件的形式重构测试方法、步骤的自定义测试，且测试脚本下装到测试装置即可运行。测试过程中不用断开Modbus主站与从设备的通信连接，不会破坏Modbus服务器与客户端的系统运行状态；具备错误、故障信息的分级、过滤、自动记录，能在长期运行测试中监控异常并上报特定的信息；嵌入式实时系统实现的测试装置，体积小、成本低、低延迟，能够诊断和监测更底层的通信协议，例如转发延迟、应答超时、通信帧校验错误率等；有灵活的测试框架，管理、运行用户的测试用例或脚本，可接收或安装用户定制的测试用例程序、测试脚本，动态执行新安装的测试程序而不需要重启装置。可按用户自定义的协议功能对测试数据自动处理、分级、过滤、记录。自动诊断从机的ID、寄存器地址等。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型所述的一种多功能Modbus设备测试装置的硬件实现示意图；

图2为本实用新型所述的一种多功能Modbus设备测试装置的Modbus网络监听实例示意图；

图3为本实用新型所述的一种多功能Modbus设备测试装置的Modbus从设备测试实例示意图；

图4为本实用新型所述的一种多功能Modbus设备测试装置的模拟Modbus Client测试实例示意图。

附图标记

1-以太网接口、3-MCU、5-USB接口、6-232/422/485串口、7-存储器。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

参阅图1，本实用新型的一种多功能Modbus设备测试装置(简称为TD-MB)，其包括:

硬件层的MCU 3，所述MCU 3分别连接有多个232/422/485串口6、以太网接口1以及USB 接口5以及存储有固件的存储器7，其中以太网接口1为具备兼容Modbus TCP/IP协议的模块，能够接入并识别Modbus TCP/IP协议传输信号的线路，所述232/422/485串口6接收串口数据后经所述MCU3转换可经由以太网接口1以Modbus协议支持的数据输出。

优选地，所述232/422/485串口6设置有物理隔离保护措施。

优选地，所述MCU3可同时接收来自所述232/422/485串口6和所述以太网接口1的数据。

优选地，供所述MCU3执行的存储在所述存储器7内的固件是以结构体的形式存储，结构体包含：面板、设置在面板上的闪存块、面板上MCU输入引脚、MCU输出引脚。所存储的固件包含：嵌入式实时操作系统，以及向上层级的微型库、测试固件、TCP/IP堆栈、Modbus 库，以及再向上层级面对接口对象的测试用例。

优选地，通过以太网接口1与外部Modbus服务器双向连接，通过所述232/422/485串口6 与外部设备双向连接，物理隔离保护措施，采用电压隔离芯片，所述232/422/485串口通信芯片选用SP485，串口信号通过光耦隔离器与所述MCU连接，光耦隔离器和串口通信芯片链接。

所述MCU3收集、追踪错误、异常、故障等信息并通过所述USB接口5向外传输。

优选地，所述MCU3接收来自所述232/422/485串口6与以太网接口1的数据并进行Modbus 协议互转，所述MCU3通过以太网接口1和所述232/422/485串口6，监听整个Modbus网络上的连接的外部设备的运行数据，自动搜集、追踪外部设备错误、异常、故障等信息并通过USB 接口5向外传输。

优选地，所述外部设备可以是开关、PLC控制系统、驱动、人机接口。

优选地，所述以太网接口1还设有ETH PHY芯片，部署在外部Modbus设备信号通过以太网接口1进入所述MCU之前，与所述MCU3通信连接。

所存储的结构体中的Modbus库最高支持20Mbps的串行通信。

优选地，所述USB接口5包含USB物理接口、与USB物理接口通信连接的PHY芯片，所述PHY芯片作为信号传输中间器件桥接所述USB物理接口与所述MCU3。

所存储的结构体支持链路监控检测，碰撞检测功能，链路层数据抓取、记录功能，响应时间监测，异常码追踪、记录、过滤功能。

优选地，所述存储器7为SPI Flash芯片，所述MCU通过内存模块调用存储器7存储的固件，并通过调试接口获取外部设备的信号。

所存储的结构体中的Modbus库具有Modbus协议基本功能的测试用例库，支持重构测试方法和步骤，支持测试用例程序、测试脚本的导入。

多功能Modbus设备测试装置(TD-MB)，包括硬件层和软件层如，硬件层包括MCU 3(微处理器)，MCU 3连接有多个232/422/485串口6、以太网接口1以及用户接口5；作为结构体存储的软件层包括硬件抽象层，硬件抽象层(HAL)之上包括实时操作系统(RTOS)和BOOT，实时操作系统15和BOOT的上层设置有Micro lib(微型库)，Test Framework(测试固件)，TCP/IP stack(堆栈)；再上层设置有Test Case/Program(测试用例)。该测试装置由嵌入式实时系统实现，支持232/422/485串口6与以太网的Modbus协议转换基础功能，并采用模块化设计，可更新网络协议栈，可安装用户测试用例程序，具备文件系统、日志等可裁剪功能组件，具有独立的用户接口5(USB、无线网和蓝牙接口)可方便用户或测试人员配置本装置的运行参数、导入导出数据。

MCU 3通过ETH PHY连接以太网接口1，ETH是点对点通讯，两个及以上点要交换ETH数据就必须通过switch。PHY是物理层接口，单独的PHY芯片就是物理层接口芯片。MCU 3 通过USB PHY 4连接用户接口5，USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。 MCU 3还连接有SPI FLASH7，SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI总线系统是一种同步串行外设接口，可以使MCU3与外围设备以串行方式进行通信。SPI FLASH7是串行通信接口的NOR FLASH。

BOOT，是英文Build－Own－Operate－Transfer的缩写。即建设-拥有-运营-移交。这种方式明确了BOT方式的所有权，BOOT也是BOT方式的具体表现形式的一种。Windows XP主要依赖BOOT.INI文件来确定计算机在重启(引导)过程中显示的可供选取的操作系统类别。

Micro lib是缺省C库的备选库，它旨在与需要装入到极少量内存中的深层嵌入式应用程序配合使用，这些应用程序不在操作系统中运行。Micro lib进行了高度优化以使代码变得很小，它的功能比缺省C库少。

Test Framework，表示测试固件，一个测试框架的作用，用于完成测试断言，测试报告，测试用例管理，测试运行驱动，数据构造(mock)，benchmark的用例支持，测试固件，以及产品层面的特性，例如易用性，移植性等等。C++目前最流行的单元测试框架有GoogleTest，CppUnit 等。

TCP/IP stack，TCP/IP stack一个协议的集合，包含了很多的协议，从一层物理层到7层的应用层协议；堆栈是一种抽象数据结构，其操作机理是后进先出。当你把新条目推进堆栈时，已经在堆栈内的任何条目都会压到堆栈的深处。同样的，把一个条目从堆栈移出则会让堆栈内的其他条目都向堆栈的顶部移动。只有堆栈最顶端的条目能从堆栈中取出，条目离开堆栈的顺序和它们被推进堆栈的顺序一样。

Test Case/Program，就是要测试程序的测试方法，编写的基本思路就是分析你要测试程序的输入值(也可以是在画面上的某种操作)和对应的结果(可能多种多样，不一定是返回值，比如画面上有某些显示变化)。本申请的测试程序、测试用例可以采用现有技术中对常用对象、数据指标的测试方法及测试用例，再此不做具体的限定。

参见图3-4，该测试装置可作为Modbus网关使用；可用于监听整个Modbus网络上的主站/服务器和从设备之间的通信数据，自动搜集、追踪设备错误、异常、故障信息，辅助测试人员在规定的试验环境应力下对整个系统运行稳定性、健康状态的监视；可模拟Modbus主站 /服务器请求从设备数据，对多个、多种类型的从设备进行协议一致性测试，功能、性能测试；可模拟多个、多种类型的从设备/客户机端，对Modbus主机/服务器进行压力、负荷等稳定性测试；

该测试装置带有隔离保护的多路RS-232C和RS485/RS422串口6，支持串口6与以太网接口1的Modbus协议互转，测试装置也可作为Modbus网关使用；同时支持Modbus以太网(TCP/UDP/IP)设备和Modbus串行(RTU/ASCII)设备的测试；通过以太网和串口6，监听整个Modbus网络上的主站/服务器和从设备的运行数据，自动搜集、追踪Modbus设备错误、异常、故障信息；模拟服务器端请求Modbus从设备数据，对多个、多种类型的从设备同时进行协议一致性测试，监控、记录数据错误、异常；模拟多个、多种类型的从设备/客户机端，对Modbus主机/服务器进行压力、负荷等稳定性测试；自动侦测被测设备通信模式，并能自适应被测设备通信模式；支持用户自定义的非标准Modbus串行通信速率，最高支持20Mbps 的串行通信；应用层Modbus协议一致性测试，通过检查支持的Modbus功能代码来评估 Modbus一致性；链路监控检测，碰撞检测功能；链路层数据抓取、记录功能；响应时间监测，异常码追踪、记录、过滤功能；具备文件系统和日志等组件，支持测试数据保存到(测试装置)本地，方便测试人员以文件方式导入导出测试数据；具备Modbus协议基本功能的测试用例库，支持重构测试方法和步骤，支持测试人员编写的测试用例程序、测试脚本等的导入。

测试装置以“被动”测试方式，监听整个Modbus网络上的主站/服务器和从设备之间的通信数据，自动搜集、追踪、记录设备错误、异常、故障信息，辅助测试人员在规定的试验环境应力下对整个系统运行稳定性、健康状态的监视；测试装置以“主动”测试方式，通过网络注入故障信息，以验证被测产品或系统对所注入故障的反应，帮助测试人员回收信息以便分析；测试装置具备可扩展的测试用例库，除标准的协议一致性测试，还支持用户以脚本文件的形式重构测试方法、步骤的自定义测试，且测试脚本下装到测试装置即可运行。测试过程中不用断开Modbus主站与从设备的通信连接，不会破坏Modbus服务器与客户端的系统运行状态；具备错误、故障信息的分级、过滤、自动记录，能在长期运行测试中监控异常并上报特定的信息；嵌入式实时系统实现的测试装置，体积小、成本低、低延迟，能够诊断和监测更底层的通信协议，例如转发延迟、应答超时、通信帧校验错误率等；有灵活的测试框架，管理、运行用户的测试用例或脚本，可接收或安装用户定制的测试用例程序、测试脚本，动态执行新安装的测试程序而不需要重启装置。可按用户自定义的协议功能对测试数据自动处理、分级、过滤、记录。自动诊断从机的ID、寄存器地址等。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，包括:

硬件层的MCU(3)，所述MCU(3)分别连接有多个232/422/485串口(6)、以太网接口(1)以及USB接口(5)以及存储有固件的存储器(7)，其中以太网接口(1)为具备兼容Modbus TCP/IP协议的模块，能够接入并识别Modbus TCP/IP协议传输信号的线路，所述232/422/485串口(6)接收串口数据后经所述MCU(3)转换可经由以太网接口(1)以Modbus协议支持的数据输出。

2.根据权利要求1所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述232/422/485串口(6)设置有物理隔离保护措施。

3.根据权利要求2所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述MCU(3)可同时接收来自所述232/422/485串口(6)和所述以太网接口(1)的数据。

4.根据权利要求3所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，供所述MCU(3)执行的存储在所述存储器(7)内的固件是以结构体的形式存储，结构体包含：面板、设置在面板上的闪存块、面板上MCU输入引脚、MCU输出引脚。

5.根据权利要求4所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，通过以太网接口(1)与外部Modbus服务器双向连接，通过所述232/422/485串口(6)与外部设备双向连接，物理隔离保护措施采用电压隔离芯片，所述232/422/485串口(6)通信芯片选用SP485，串口信号通过光耦隔离器与所述MCU连接，光耦隔离器和串口通信芯片链接。

6.根据权利要求4所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述MCU(3)接收来自所述232/422/485串口(6)与以太网接口(1)的数据并进行Modbus协议互转，所述MCU(3)通过以太网接口(1)和所述232/422/485串口(6)获取信息并通过USB接口(5)向外传输。

7.根据权利要求5所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述外部设备可以是开关、PLC控制系统、驱动、人机接口。

8.根据权利要求1所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述以太网接口(1)还设有ETH PHY芯片，部署在外部Modbus设备信号通过以太网接口(1)进入所述MCU之前，与所述MCU(3)通信连接。

9.根据权利要求1所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述USB接口(5)包含USB物理接口、与USB物理接口通信连接的PHY芯片，所述PHY芯片作为信号传输中间器件桥接所述USB物理接口与所述MCU(3)。

10.根据权利要求1所述的一种多功能Modbus设备测试装置，其特征在于，所述存储器(7)为SPIFlash芯片，所述MCU通过内存模块调用存储器(7)存储的固件，并通过调试接口获取外部设备的信号。

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