Modbus TCP 调试软件开发架构与技术指导

一、项目概述

本软件旨在为电气工程师提供一个功能丰富、操作便捷的 Modbus TCP 调试工具，具备连接管理、数据读写、数据显示、配置文件管理等多种功能，以满足日常调试需求。

二、功能需求

连接管理

  1. 设备连接：设置 IP 地址和端口号，实现连接与断开操作，并给出连接状态提示。
  2. 连接状态监控：实时显示连接状态。
  3. 搜索局域网设备：获取本机有效网卡，用户选择后自动设置网段地址为搜索范围。

数据读写

  1. 读取数据：支持读取线圈状态、离散输入、保持寄存器和输入寄存器，可指定起始地址和数量。
  2. 写入数据：支持向线圈和保持寄存器写入单个或多个数据。
  3. 特殊数据处理：能处理浮点数和不定长度字符串数据，并清晰展示。

数据显示

  1. 显示方式选择：提供数据图表（柱状图、饼图）和折线图供用户选择展示。
  2. 数据交互：支持数据选择、标注、图例说明，以及缩放、平移等操作。

配置文件管理

  1. 文件格式：采用 JSON 或 YAML 格式。
  2. 文件加载：支持手动和自动加载配置文件。
  3. 配置应用：将配置数据映射到监视界面，支持动态更新。

其他功能

  1. 安全与权限管理：用户认证和权限控制。
  2. 脚本自动化：脚本编写、执行、保存和加载。
  3. 设备模拟：Modbus 从站模拟和异常模拟。
  4. 数据导出与分享：导出为 CSV、Excel 等格式，生成报告并支持分享。
  5. 历史数据查询与回放：存储、查询和回放历史数据。
  6. 远程调试：远程连接和控制设备。
  7. 多语言支持：提供多种语言切换。

三、软件架构设计

分层架构

  1. 用户界面层（UI 层）
    • 负责与用户进行交互，包括窗口显示、按钮点击、数据输入等操作。使用 PyQt6 构建图形用户界面，提供直观、易用的操作界面。
  2. 业务逻辑层
    • 处理软件的核心业务逻辑，如连接管理、数据读写、配置文件解析等。调用数据访问层和通信层的接口完成具体业务。
  3. 数据访问层
    • 负责数据的存储和读取，包括历史数据的存储、配置文件的读写等。使用数据库（如 SQLite）存储历史数据，使用文件系统存储配置文件。
  4. 通信层
    • 实现与 Modbus TCP 设备的通信，包括连接建立、数据传输等。使用 pymodbus 库进行 Modbus TCP 通信。

模块划分

  1. 连接管理模块：负责设备连接、状态监控和局域网设备搜索。
  2. 数据读写模块：实现数据的读取和写入操作，处理特殊数据类型。
  3. 数据显示模块：根据用户选择的显示方式展示数据，提供交互功能。
  4. 配置文件管理模块：管理配置文件的加载、解析和应用。
  5. 安全与权限管理模块：实现用户认证和权限控制。
  6. 脚本自动化模块：支持脚本的编写、执行和管理。
  7. 设备模拟模块：模拟 Modbus 从站设备和异常情况。
  8. 数据导出与分享模块：实现数据导出、报告生成和分享功能。
  9. 历史数据查询与回放模块：负责历史数据的存储、查询和回放。
  10. 远程调试模块：实现远程连接和控制功能。
  11. 多语言支持模块：提供语言切换功能。

四、技术选型

  1. 编程语言：Python，具有丰富的库和简洁的语法，适合快速开发。
  2. GUI 框架：PyQt6，用于构建跨平台的图形用户界面。
  3. Modbus 通信库：pymodbus，提供 Modbus TCP 通信功能。
  4. 数据库：SQLite，轻量级数据库，适合存储历史数据。
  5. 配置文件格式：JSON 或 YAML，易于读写和解析。
  6. 图表库：matplotlib 或 pyqtgraph，用于绘制数据图表和折线图。

五、详细设计

连接管理模块

  1. 功能实现
    • 使用 socket 库获取本机有效网卡信息。
    • 根据用户选择的网卡计算网段地址范围，使用 pymodbus 库在该范围内搜索在线设备。
    • 使用 pymodbus 库建立和管理与 Modbus TCP 设备的连接。
  2. 数据结构
    • 定义网卡信息类，包含网卡名称、IP 地址和子网掩码。
    • 定义设备连接信息类，包含 IP 地址、端口号和连接状态。

数据读写模块

  1. 功能实现
    • 使用 pymodbus 库的 read_holding_registers、read_coils 等方法读取数据。
    • 使用 pymodbus 库的 write_single_register、write_multiple_registers 等方法写入数据。
    • 对于浮点数数据，使用 struct 模块进行格式转换；对于不定长度字符串数据，根据终止符进行处理。
  2. 数据结构
    • 定义数据读取请求类，包含起始地址、数量和数据类型。
    • 定义数据写入请求类，包含起始地址、数据值和数据类型。

数据显示模块

  1. 功能实现
    • 使用 matplotlib 或 pyqtgraph 库绘制数据图表和折线图。
    • 根据用户选择的数据项和显示方式更新图表。
    • 实现数据标注、图例说明、缩放和平移等交互功能。
  2. 数据结构
    • 定义数据点类，包含时间戳和数据值。
    • 定义数据集类，包含多个数据点。

配置文件管理模块

  1. 功能实现
    • 使用 json 或 yaml 库读取和解析配置文件。
    • 将配置数据映射到监视界面的控件上。
    • 当配置文件发生变化时，动态更新监视界面。
  2. 数据结构
    • 定义配置文件类，包含设备信息、监视地址等配置项。

其他模块

根据各模块的功能需求，选择合适的库和技术进行实现。例如，使用 hashlib 库实现用户认证，使用 pandas 库实现数据导出等。

六、开发计划

  1. 需求分析与设计阶段（1 - 2 周）
    • 明确软件的功能需求和设计架构。
    • 完成软件的详细设计文档。
  2. 基础功能开发阶段（3 - 6 周）
    • 实现连接管理、数据读写、数据显示和配置文件管理等基础功能。
    • 进行单元测试和集成测试。
  3. 扩展功能开发阶段（7 - 10 周）
    • 实现安全与权限管理、脚本自动化、设备模拟等扩展功能。
    • 进行系统测试和性能优化。
  4. 收尾与发布阶段（11 - 12 周）
    • 完成多语言支持、数据导出与分享等收尾工作。
    • 进行用户测试和修复漏洞。
    • 发布软件正式版本。

七、测试计划

  1. 单元测试：对每个模块的功能进行单独测试，确保模块的正确性。
  2. 集成测试：将各个模块集成在一起进行测试，检查模块之间的接口和交互是否正常。
  3. 系统测试：对整个软件系统进行全面测试，验证软件是否满足功能需求和性能要求。
  4. 用户测试：邀请用户进行实际使用测试，收集用户反馈并进行改进。

八、维护与升级

  1. 定期维护：定期检查软件的运行状态，修复潜在的漏洞和问题。
  2. 功能升级：根据用户需求和技术发展，对软件进行功能升级和优化。
  3. 技术支持：为用户提供技术支持和培训，帮助用户解决使用过程中遇到的问题。