MODBUS－RTU协议一致性测试方法

摘要

发明涉及一种MODBUS－RTU协议一致性测试方法，属于电力系统信息数据传递技术领域。本发明中，利用协议测试工具检查协议的实现是否与标准一致，利用测试仪施加交流量，辅助完成对应用功能和数据正确性的验证，测试内容包括协议的一致性测试、应用功能和数据正确性的验证，其中协议一致性测试包括链路层、功能码、数据域的正常测试和否定测试。本测试方法给出了Modbus－RTU协议一个系统、全面的测试内容和测试方法，对保证协议实现一致性和互操作性有很重要的意义。

说明书

技术领域

发明涉及一种MODBUS-RTU协议一致性测试方法，属于电力系统信息数据传递技术领域。

背景技术

随着电力系统的迅速发展，以及新技术的不断应用，对信息数据的共享提出了更高的要求，如何更好的完成信息数据的共享，一直是电力系统面对的问题。通信协议是对被测设备通信协议部分的一个描述，主要包括地址表，支持的应用功能和对应的功能码，以及应用功能的特殊要求等。

通信协议作为实现信息数据传递的一种方法，它的实现也一直倍受关注。Modbus-RTU协议由于其简单而精致的结构得到大家的支持，目前，在电力行业Modbus-RTU协议也得到了广泛的应用。

在Modbus-RTU协议实际应用过程中，由于各个厂家对协议标准的理解不一致，实现方法不同，给实际的互操作性问题，如何保证Modbus-RTU协议的实现与标准一致性，保证Modbus-RTU协议的互操作性是我们研究的重点。

目前，在已有的Modbus-RTU协议测试中，主要是验证应用功能是否实现，例如是否能够上送数据，是否能够完成控制功能，而忽略了承载功能的通信协议是否满足标准的要求，以及对协议的否定测试。这样，表面上功能是实现了，但是在实际与其他厂家互联时可能就会因为协议实现上的一致性，给互连带来困难，也有可能在协议报文异常时装置的某些功能受到影响，例如在实际测试中遇到的，当协议报文异常时造成装置的重启。因此，目前的测试方法主要问题是不能系统，全面的考查协议实现的一致性，给实际设备间的互连带来隐患。

发明内容

本发明的任务是提供一种MODBUS-RTU协议一致性测试方法，解决以往测试只验证功能的实现而忽略协议本身测试的问题。

为完成上述任务，在本发明中，利用协议测试工具检查协议的实现是否与标准一致，利用测试仪施加交流量，辅助完成对应用功能和数据正确性的验证，测试内容包括协议的一致性测试、应用功能和数据正确性的验证，其中协议一致性测试包括链路层、功能码、数据域的正常测试和否定测试。本测试方法给出了Modbus-RTU协议一个系统、全面的测试内容和测试方法，对保证协议实现一致性和互操作性有很重要的意义。

本发明MODBUS-RTU协议一致性测试方法的具体步骤如下：

第一步：填写Modbus-RTU协议一致性声明表；

第二步：按照图1搭建测试系统；

第三步：通信接口测试；

第四步：通信波特率测试；

第五步：链路层测试；

第六步：功能码01(读线圈)的正常测试；

第七步：功能码01(读线圈)的否定测试；

第八步：功能码02(读离散量输入)的正常测试；

第九步：功能码02(读离散量输入)的否定测试；

第十步：功能码03(读保持寄存器)的正常测试；

第十一步：功能码03(读保持寄存器)的否定测试；

第十二步：功能码04(读输入寄存器)的正常测试；

第十三步：功能码04(读输入寄存器)的否定测试；

第十四步：功能码05(写单个线圈)的正常测试；

第十五步：功能码05(写单个线圈)的否定测试；

第十六步：功能码06(写单个寄存器)的正常测试；

第十七步：功能码06(写单个寄存器)的否定测试；

第十八步：功能码07(读取异常状态)的正常测试；

第十九步：功能码08(诊断功能)的正常测试；

第二十步：功能码08(诊断功能)的否定测试；

第二十一步：功能码11(获得通信事件计数器)的正常测试；

第二十二步：功能码12(获得通信事件记录)的正常测试

第二十三步：功能码15(写多个线圈)的正常测试；

第二十四步：功能码15(写多个线圈)的否定测试；

第二十五步：功能码16(写多个寄存器)的正常测试；

第二十六步：功能码16(写多个寄存器)的否定测试；

第二十七步：功能码17(报告子站ID)的正常测试；

第二十八步：功能码20/6(读文件记录)的正常测试；

第二十九步：功能码20/6(读文件记录)的否定测试；

第三十步：功能码21/6(写文件记录)的正常测试；

第三十一步：功能码21/6(写文件记录)的否定测试；

第三十二步：功能码22(屏蔽写寄存器)的正常测试；

第三十三步：功能码22(屏蔽写寄存器)的否定测试；

第三十四步：功能码23(读/写多个寄存器)的正常测试；

第三十五步：功能码23(读/写多个寄存器)的否定测试；

第三十六步：功能码24(读FIFO队列)的正常测试；

第三十七步：功能码24(读FIFO队列)的否定测试；

第三十八步：功能码43/14(读设备标识)的正常测试；

第三十九步：功能码43/14(读设备标识)否定测试；

第四十步：不支持功能码的测试；

第四十一步：数据域的测试；

第四十二步：应用功能的测试；

第四十三步：数据正确性的测试。

本测试方法的发明制定了详细全面的测试内容，并利用专门的协议测试工具帮助完成协议一致性测试，测试内容包括协议的一致性测试、应用功能和数据正确性的验证，其中协议一致性测试包括链路层、功能码、数据域的正常测试和否定测试。本测试方法给出了Modbus-RTU协议一个系统、全面的测试内容和测试方法，对保证协议实现一致性和互操作性有很重要的意义。

本发明的主要优点如下：

1)测试内容全面，测试内容包括协议的一致性测试、应用功能和数据正确性的验证，其中协议一致性测试包括链路层、功能码、数据域的正常测试和否定测试。本测试方法给出了Modbus-RTU协议一个系统、全面的测试内容和测试方法，来保证协议实现一致性和互操作性；

2)专门的modbus-RTU协议测试工具，使用专门的协议测试工具更有利于发现协议报文中的错误。

附图说明

图1为本发明测试项目表；

图2为本发明的测试系统结构图；

图3为本发明的Modbus-RTU协议一致性声明表。

具体实施方式

本测试方法主要包括以下几个方面：

1)测试内容

a)链路层测试，主要考查传输模式，消息帧格式，地址域、校验码和链路传输状态，保证在链路层正常和异常情况下，装置能够给出正确的响应，并能够正常运行；

b)功能码测试，主要考查功能码的格式和传输过程是否满足标准的要求，并且，当功能码异常时，装置是否能够异常响应；

c)数据域测试，主要考查数据域的格式和数据是否满足标准的要求；

d)应用功能测试，在协议一致性实现的基础上，考查装置应用功能是否正确实现；

e)数据正确性测试，在协议一致性实现的基础上，考查装置上送的数据是否正确。

详细的测试项目见图1表。

2)协议测试工具

协议测试工具可以根据测试的需要模拟发送各种命令帧，接收被测设备的响应帧，并对报文进行分析判断。

3)测试系统结构图见图2

4)协议一致性测试方法

a)首先被测设备需要提供通信协议说明并填写Modbus-RTU协议一致性声明表，Modbus-RTU协议一致性声明表是整个协议一致性测试的基础，很多测试项目是根据一致性声明的内容进行选择的，Modbus-RTU协议一致性声明表见附录；

b)按照图2搭建测试系统；

c)记录装置的通信接口；

d)调整协议测试工具的通信速率与被测设备的通信速率一致，利用测试工具发送正确的命令，查看被测设备回应的通信报文，来检测是否支持此通信速率；根据MODBUS-RTU协议一致性声明表，重复测试每一种支持的通信速率；

e)链路层测试：

i)利用协议测试工具发送正确的通信报文，包括正确的地址，正确的帧格式，正确的校验码，查看被测设备能否正确响应以及响应的帧格式是否正确；

ii)利用协议测试工具发送的通信报文中，地址错误，查看被测设备是否不进行响应；

iii)利用协议测试工具发送的帧格式异常(多字节或少字节)，查看被测设备是否丢弃此帧信息；

iv)利用协议测试工具发送的校验码错误，查看被测设备是否丢弃此帧；

v)利用协议测试工具发送读命令的广播命令，查看被测设备是否进行响应；

vi)利用协议测试工具发送写命令的广播命令，查看被测设备是否进行响应。

f)功能码测试

功能码的测试主要分为支持功能码的测试和不支持功能码的测试，根据MODBUS-RTU协议一致性声明表可以得知被测设备支持哪些功能码。

i)支持功能码的正常测试

(1)功能码01(读线圈)的正常测试，协议测试工具发送功能码01读取1-2000个连续线圈状态，检查被测设备是否用功能码01回应，并上送线圈当前状态；如果返回的线圈数量不是8的倍数，将用零填充最后数据字节的剩余位(一直到字节的高位端)；

(2)功能码02(读离散量输入)的正常测试，协议测试工具发送用功能码02读取1-2000个连续的离散量输入状态，检查被测设备是否用功能码02回应，并上送离散量输入当前状态；如果返回的输入数量不是8的倍数，将用零填充最后数据字节的剩余位(一直字节的高位端)；

(3)功能码03(读保持寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码03读取一个或多个保持寄存器当前值，检查被测设备是否用功能码03回应，并上送寄存器当前值，在响应报文中的寄存器数据打包成每个寄存器有两个字节；

(4)功能码04(读输入寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码03读取一个或多个保持寄存器当前值，检查被测设备是否用功能码03回应，并上送寄存器当前值，在响应报文中的寄存器数据打包成每个寄存器有两个字节；

(5)功能码05(写单个线圈)的正常测试，协议测试工具发送功能码05强置一个线圈的通断状态，被测设备在写入线圈状态后回应一帧与请求帧相同的报文；

(6)功能码06(写单个寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码06置单个寄存器的值，检查被测设备是否在写入寄存器的内容后回应一帧与请求帧相同的报文；

(7)功能码07(读取异常状态)的正常测试，协议测试工具发送功能码07读取8个异常状态输出的内容，检查被测设备是否用功能码07响应，并在响应帧中包含8个异常状态输出的内容，这些输出打包成一个字节，每个异常状态输出一个位；

(8)功能码08(诊断功能)的正常测试，协议测试工具发送功能码08提供一系列测试，用于检查主站和子站之间的通信系统或子站中的各种差错状态，在请求帧中包含一个子功能码来定义子站所执行的测试类型，检查被测设备是否应用功能码08和与请求帧相同的子功能码响应；

(9)功能码11(获得通信事件计数器)的正常测试，协议测试工具发送功能码11从被测设备通信事件计数器中获得状态字和事件计数，检查被测设备是否用功能码11响应；

(10)功能码12(获得通信事件记录)的正常测试，协议测试工具发送功能码12从被测设备获得状态字、事件计数、报文计数以及一个事件字节域，检查被测设备是否用功能码12响应；

(11)功能码15(写多个线圈)的正常测试，协议测试工具发送功能码15置多个线圈的通断状态，检查被测设备是否应用功能码15，响应帧中包含的寄存器地址、寄存器数量与请求帧中一样；

(12)功能码16(写多个寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码16置多个连续寄存器的值，检查被测设备是否应用功能码16响应，响应帧中包含的寄存器地址、寄存器数量与接收帧中一样；

(13)功能码17(报告子站ID)的正常测试，协议测试工具发送功能码17读取被测设备特定的类型描述、当前状态以及其他信息，检查被测设备是否用功能码17响应，并在响应帧中包含被测设备ID、运行指示状态以及附加数据；

(14)功能码20/6(读文件记录)的正常测试，协议测试工具发送功能码20读取文件记录，检查被测设备是否应用功能码20/6响应，在响应帧中包含对各个子请求的响应(“6”指的是参数类型)；

(15)功能码21/6(写文件记录)的正常测试，协议测试工具发送功能码21/6写入文件记录，检查被测设备是否应用功能码21/6响应，正常的响应是请求的复制(“6”表示参数类型)；

(16)功能码22(屏蔽写寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码22屏蔽写寄存器，检查被测设备是否应用功能码22响应，正常的响应是请求的复制；

(17)功能码23(读/写多个寄存器)的正常测试，协议测试工具发送功能码23完成读操作和写操作的组合，检查被测设备是否应用功能码23响应，正常的响应应该包含所读寄存器数据；

(18)功能码24(读FIFO队列)的正常测试，协议测试工具发送功能码24读取被测设备中先入先出(FIFO)寄存器队列内容，此功能最多可以读32个寄存器：计数加上最多31个队列的数据寄存器，检查被测设备是否用功能码24给予响应；

(19)功能码43/14(读设备标识)的正常测试，协议测试工具发送功能码43/14读取被测设备的物理和功能描述相关的标识和附加信息，其中14表示MEI类型，检查被测设备是否用功能码43给予响应；

ii)支持功能码的否定测试

(1)功能码01(读线圈)的否定测试

协议测试工具发送功能码01读取线圈数量不在1～2000范围内，检查被测设备是否用功能码81H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示读取的线圈数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码01读取一组无效地址的线圈状态，检查被测设备是否用功能码81H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

(2)功能码02(读离散量输入)的否定测试

协议测试工具发送功能码02读取离散量输入数量不在1～2000范围内，检查被测设备是否用功能码82H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示读取的离散量输入数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码02读取一组无效地址的离散量输入状态，检查被测设备是否用功能码82H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

(3)功能码03(读保持寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码03读取的保持寄存器数量不在1～125范围内，检查被测设备是否用功能码83H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示读取的保持寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码03读取一组无效地址保持寄存器当前值，检查被测设备是否用功能码83H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

(4)功能码04(读输入寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码04读取的输入寄存器数量不在1～125范围内，检查被测设备是否用功能码84H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示读取的输入寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码04读取一组无效地址输入寄存器当前值，检查被测设备是否用功能码84H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

(5)功能码05(写单个线圈)的否定测试

协议测试工具发送功能码05写入线圈的通断状态不是“0000”或“FF00”时，检查被测设备是否用功能码85H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示线圈的通断状态无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码05强置一个无效地址线圈的通断状态，检查被测设备是否用功能码85H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

协议测试工具发送功能码05写命令，如果被测设备在试图处理请求时出现不可恢复的差错，检查被测设备是否用功能码85H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常码04表示被测设备故障；

(6)功能码06(写单个寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码06写入的寄存器值不在被测设备允许的范围内时，检查被测设备是否用功能码86H给予一个异常响应，并在响应帧包含一个异常码03表示写入寄存器的值无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码06置一个无效地址寄存器的值，检查被测设备是否用功能码86H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示是非法数据地址；

(7)功能码08(诊断功能)的否定测试

协议测试工具发送功能码08提供无效的数据域，检查被测设备是否用功能码88H给予异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示数据域无效；

(8)功能码15(写多个线圈)的否定测试

协议测试工具发送功能码15写入的线圈数量不在1～1968范围内，检查被测设备是否用功能码8FH给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常码03表示寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码15置一个无效地址线圈的通断状态，检查被测设备是否用功能码8FH给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02非法数据地址；

(9)功能码16(写多个寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码16写入的寄存器数量不在1～123范围内或者字节计数不等于寄存器数量的2倍时，检查被测设备是否用功能码90H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码16置一个无效地址寄存器值，检查被测设备是否用功能码90H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02非法数据地址；

(10)功能码20/6(读文件记录)的否定测试

协议测试工具发送功能码20/6读取的字节计数不在7～245范围内，检查被测设备是否用功能码94H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常码03表示字节计数无效；

协议测试工具发送功能码20/6读取的起始地址、参数类型、文件号、以及记录数量中的任何一个或几个无效，检查被测设备是否用功能码94H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示无效数据地址；

(11)功能码21/6(写文件记录)的否定测试

协议测试工具发送功能码21/6写入的字节计数不在7～245范围内，检查被测设备是否用功能码95H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码21/6写入的起始地址、参数类型、文件号、以及记录数量中的任何一个或几个无效时，检查被测设备是否用功能码95H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示非法数据地址；

(12)功能码22(屏蔽写寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码22，请求帧中“and_mask”或”r_mask”无效时，检查被测设备是否用功能码96H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示非法数据值；

协议测试工具发送功能码22屏蔽一个无效地址寄存器时，检查被测设备是否用功能码96H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示非法数据地址；

(13)功能码23(读/写多个寄存器)的否定测试

协议测试工具发送功能码23读取寄存器的数量不在1-125范围内或者写入的寄存器数量不在1～121范围内或者写字节数不是写入寄存器数量的2倍检查被测设备是否用功能码97H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示寄存器数量无效，即非法数据值；

协议测试工具发送功能码23读取无效地址的寄存器或者写入无效地址的寄存器，检查被测设备是否用功能码97H给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示非法数据地址；

(14)功能码24(读FIFO队列)的否定测试

协议测试工具发送功能码24读取FIFO寄存器的数量不在0～31之间，检查被测设备是否用功能码98H给予异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示非法数据值；

协议测试工具发送功能码24读取一个无效地址的FIFO寄存器，检查波测设备是否用功能码98H给予异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示非法数据地址；

(15)功能码43/14(读设备标识)的否定测试

协议测试工具发送读取一个无效的设备ID时，检查被测设备是否用功能码abH给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码03表示非法数据值；

协议测试工具发送一个无效的对象ID时，检查被测设备是否用功能码abH给予一个异常响应，并在响应帧中包含一个异常代码02表示非法数据地址；

iii)不支持功能码的测试，利用协议测试工具发送被测设备任一不支持的功能码，查看被测设备是否进行异常响应，异常响应中的功能码是80H+请求的功能码，并且在响应帧中包含一个异常代码01表示非法功能；

g)数据域测试，利用协议测试工具发送正确的命令帧，查看被测设备响应的报文中数据域是否满足标准的要求；

h)应用功能测试，根据通信协议说明中被测设备支持的应用功能，检验每一个应用功能是否能够正确完成；

i)数据正确性测试，首先需要利用测试仪给被测设备施加交流量，然后利用协议测试工具发送命令帧，查看被测设备上送的数据是否正确。

5)协议一致性测试步骤

第一步：填写Modbus-RTU协议一致性声明表；

第二步：按照图1搭建测试系统；

第三步：通信接口测试；

第四步：通信波特率测试；

第五步：链路层测试；

第六步：功能码01(读线圈)的正常测试；

第七步：功能码01(读线圈)的否定测试；

第八步：功能码02(读离散量输入)的正常测试；

第九步：功能码02(读离散量输入)的否定测试；

第十步：功能码03(读保持寄存器)的正常测试；

第十一步：功能码03(读保持寄存器)的否定测试；

第十二步：功能码04(读输入寄存器)的正常测试；

第十三步：功能码04(读输入寄存器)的否定测试；

第十四步：功能码05(写单个线圈)的正常测试；

第十五步：功能码05(写单个线圈)的否定测试；

第十六步：功能码06(写单个寄存器)的正常测试；

第十七步：功能码06(写单个寄存器)的否定测试；

第十八步：功能码07(读取异常状态)的正常测试；

第十九步：功能码08(诊断功能)的正常测试；

第二十步：功能码08(诊断功能)的否定测试；

第二十一步：功能码11(获得通信事件计数器)的正常测试；

第二十二步：功能码12(获得通信事件记录)的正常测试

第二十三步：功能码15(写多个线圈)的正常测试；

第二十四步：功能码15(写多个线圈)的否定测试；

第二十五步：功能码16(写多个寄存器)的正常测试；

第二十六步：功能码16(写多个寄存器)的否定测试；

第二十七步：功能码17(报告子站ID)的正常测试；

第二十八步：功能码20/6(读文件记录)的正常测试；

第二十九步：功能码20/6(读文件记录)的否定测试；

第三十步：功能码21/6(写文件记录)的正常测试；

第三十一步：功能码21/6(写文件记录)的否定测试；

第三十二步：功能码22(屏蔽写寄存器)的正常测试；

第三十三步：功能码22(屏蔽写寄存器)的否定测试；

第三十四步：功能码23(读/写多个寄存器)的正常测试；

第三十五步：功能码23(读/写多个寄存器)的否定测试；

第三十六步：功能码24(读FIFO队列)的正常测试；

第三十七步：功能码24(读FIFO队列)的否定测试；

第三十八步：功能码43/14(读设备标识)的正常测试；

第三十九步：功能码43/14(读设备标识)否定测试；

第四十步：不支持功能码的测试；

第四十一步：数据域的测试；

第四十二步：应用功能的测试；

第四十三步：数据正确性的测试。