<think>我们正在编写一个C++测试程序，用于全面测试提供的Modbus TCP软元件读写函数。测试将覆盖以下内容：
- 所有数据类型：Int8, UInt8, Int16, UInt16, Int32, UInt32, Float
- 所有区域：I区（只读）、Q区（读写）、M区（读写）
- 地址边界测试：测试地址范围的有效性和边界情况
- 字节序验证：特别是浮点数的BADC字节序
- 数据打包解包验证：确保写入和读取的数据一致
- 异常情况测试：如无效地址、无效类型、空指针等
我们将使用Google Test框架来编写测试用例，因为它提供了丰富的断言和测试组织功能。
### 步骤1：设置测试环境
1. 安装Google Test：下载并配置Google Test库。
2. 创建测试项目：将待测试的Modbus TCP函数（即提供的代码）包含到测试项目中。
3. 模拟Modbus TCP函数：由于实际测试可能无法连接真实PLC，我们需要模拟`mbtcpfcn01`, `mbtcpfcn02`, `mbtcpfcn03`, `mbtcpfcn15`, `mbtcpfcn16`等函数的行为。我们将创建一个模拟层，记录函数调用并返回预设的响应。
### 步骤2：编写模拟函数
由于测试程序不能依赖真实的PLC，我们需要模拟Modbus函数。我们将使用函数指针或接口类来实现模拟。
例如，我们可以这样模拟：
```cpp
// 定义函数指针类型
typedef int (*mbtcpfcn01_t)(int, int, int, int, WORD*, int*, int*);
typedef int (*mbtcpfcn02_t)(int, int, int, int, int*, int*);
typedef int (*mbtcpfcn03_t)(int, int, int, int, int*, int*);
typedef int (*mbtcpfcn15_t)(int, int, int, int, WORD*, int*, int*);
typedef int (*mbtcpfcn16_t)(int, int, int, int, WORD*, int*, int*);
// 全局变量，用于模拟的函数指针
mbtcpfcn01_t mock_mbtcpfcn01 = nullptr;
mbtcpfcn02_t mock_mbtcpfcn02 = nullptr;
mbtcpfcn03_t mock_mbtcpfcn03 = nullptr;
mbtcpfcn15_t mock_mbtcpfcn15 = nullptr;
mbtcpfcn16_t mock_mbtcpfcn16 = nullptr;
// 模拟函数的实现
int mock_mbtcpfcn01(int a, int b, int c, int d, WORD* e, int* f, int* g) {
// 根据测试用例设置返回值
return MODBUS_SUCCESS;
}
// ... 其他模拟函数
// 在测试初始化时，将模拟函数赋值给这些指针
```
### 步骤3：编写测试用例
我们将为每个读写函数编写测试用例，覆盖正常情况和异常情况。
#### 测试用例分组：
1. 按数据类型分组：位（I/Q区字节读写）、字（M区字节读写）、整数（16/32位）、浮点数。
2. 按区域分组：I区、Q区、M区。
3. 边界测试：地址超出范围、数量为0、负地址等。
4. 字节序测试：浮点数的BADC字节序。
#### 示例测试用例（部分）：
1. **M区字节读写测试（正常情况）**：
- 写入一个字节数组，然后读取并验证。
- 测试地址从0开始，写入1个字节、2个字节（对齐）、3个字节（非对齐）等。
2. **I区位读取测试**：
- 模拟I区的位状态，读取并验证。
3. **Q区位写入测试**：
- 写入Q区的位，然后验证模拟层是否收到正确的写入请求。
4. **M区整数读写测试**：
- 写入Int16/UInt16/Int32/UInt32，然后读取并验证。
5. **M区浮点数读写测试**：
- 写入浮点数，使用BADC字节序，然后读取并验证。
6. **异常测试**：
- 传入空指针。
- 地址超出范围。
- 数量为0或负数。
- 不支持的区域（如向I区写入）。
### 步骤4：编写测试代码
以下是一个测试框架的示例（使用Google Test）：
```cpp
#include <gtest/gtest.h>
#include "modbus_functions.h" // 包含待测试的函数
// 模拟函数
int mock_mbtcpfcn03(int a, int b, int c, int d, int* e, int* f) {
// 假设我们模拟读取2个寄存器（4个字节）
if (c == 0 && d == 2) { // 地址0，数量2
e[0] = 0x1234;
e[1] = 0x5678;
return MODBUS_SUCCESS;
}
return MODBUS_ERR_INVALID;
}
// 其他模拟函数类似
class ModbusTest : public ::testing::Test {
protected:
void SetUp() override {
// 安装模拟函数
mock_mbtcpfcn03 = mock_mbtcpfcn03;
// ... 安装其他模拟函数
}
void TearDown() override {
// 卸载模拟函数
mock_mbtcpfcn03 = nullptr;
// ... 卸载其他模拟函数
}
};
// 测试M区字节读取
TEST_F(ModbusTest, ReadMBytes) {
BYTE buffer[4] = {0};
int result = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 0, 4, buffer, 0);
EXPECT_EQ(result, MODBUS_SUCCESS);
// 由于模拟函数返回了0x1234, 0x5678，所以按字节读取应为0x34, 0x12, 0x78, 0x56（小端）
EXPECT_EQ(buffer[0], 0x34);
EXPECT_EQ(buffer[1], 0x12);
EXPECT_EQ(buffer[2], 0x78);
EXPECT_EQ(buffer[3], 0x56);
}
// 测试浮点数读写
TEST_F(ModbusTest, FloatReadWrite) {
float write_value = 123.456f;
float read_value = 0.0f;
// 写入浮点数
int result = PLC_Write_Soft_Elem_Float(ELEM_MW, 0, 1, &write_value, 0);
EXPECT_EQ(result, MODBUS_SUCCESS);
// 读取浮点数
result = PLC_Read_Soft_Elem_Float(ELEM_MW, 0, 1, &read_value, 0);
EXPECT_EQ(result, MODBUS_SUCCESS);
EXPECT_FLOAT_EQ(read_value, write_value); // 应该相等
}
// 异常测试：无效地址
TEST_F(ModbusTest, InvalidAddress) {
BYTE buffer[4] = {0};
int result = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 70000, 4, buffer, 0);
EXPECT_EQ(result, MODBUS_ERR_INVALID);
}
// 更多测试用例...
int main(int argc, char **argv) {
::testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
return RUN_ALL_TESTS();
}
```
### 步骤5：深度讲解测试方法
1. **模拟层的实现**：模拟层需要根据测试用例设置不同的返回值。例如，在测试浮点数时，模拟写入函数应该检查写入的寄存器值是否符合BADC字节序，并在读取时返回同样的字节序。
2. **边界测试**：
- 对于I/Q区，地址范围0-4095（字地址），位地址范围0-4095*8。
- 对于M区，地址范围0-65535。
- 测试边界：如地址为0、4095（I/Q区）、65535（M区），以及超出这些边界的情况。
3. **字节序验证**：
- 浮点数读写测试中，我们可以在模拟层检查写入的寄存器值。例如，写入浮点数123.456，其IEEE754表示为0x42F6E979，按照BADC字节序，寄存器排列应为：
- 低字：0xF642（BADC中的BA -> 字节B和A，即原始字节1和0组成的字）
- 高字：0x79E9（DC -> 字节D和C，即原始字节3和2组成的字）
- 在模拟层，我们可以验证写入的寄存器值是否为0xF642和0x79E9。
4. **异常测试**：
- 传入空指针：调用读写函数时，传入空指针，应返回错误。
- 数量为0或负数：应返回错误。
- 不支持的区域：例如向I区写入，应返回错误。
### 步骤6：运行测试并分析
1. 编译并运行测试程序。
2. 检查所有测试用例是否通过。
3. 如果有失败的测试，分析原因并修复代码或测试用例。
### 结论
通过以上测试程序，我们可以全面验证Modbus TCP软元件读写函数的正确性、健壮性和兼容性。测试覆盖了各种数据类型、区域和边界情况，确保函数在生产环境中可靠运行。
§§相关问题§§
1. 如何扩展此测试程序以支持更多Modbus功能码？
2. 在模拟Modbus函数时，如何模拟网络延迟和错误响应？
3. 如何将此类测试集成到持续集成（CI）流程中？
[^1]: 在实现ModBUS TCP通信之前，熟悉ModBUS TCP协议的基本原理和通信流程是非常重要的。可以通过阅读相关文档和参考资料，了解ModBUS TCP协议的数据帧结构、功能码以及常见的通信模式。 4.3 搭建测试环境。
[^2]: [通信]Modbus_TCP开发。在实际使用modbus过程中，经常出现需要向下位机发送一个float数的情况，其实libmodbus已经考虑了这种情况，并提供了相应的API。
[^3]: 【modbus.h使用】C++ Modbus Tcp实例-读写float。fanzhe98/modbuspp: A C++ Library for Modbus TCP Client Protocol (github.com)https://github.com/fanzhe98/modbuspp。</think># Modbus TCP软元件读写函数全面测试方案
我将设计一个全面的C++测试程序，用于验证Modbus TCP软元件读写函数的所有功能。测试覆盖所有数据类型(I区、Q区、M区)和边界情况，确保代码的健壮性和正确性。
## 测试框架设计
```cpp
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cmath>
#include <cassert>
#include <vector>
#include "modbus_functions.h" // 包含待测试的函数声明
// 测试结果统计
struct TestStats {
int totalTests = 0;
int passedTests = 0;
int failedTests = 0;
};
// 辅助函数：打印测试结果
void printTestResult(bool success, const char* testName, TestStats& stats) {
stats.totalTests++;
if (success) {
stats.passedTests++;
std::cout << "[PASS] " << testName << std::endl;
} else {
stats.failedTests++;
std::cout << "[FAIL] " << testName << std::endl;
}
}
// 模拟Modbus通信函数
int mock_mbtcpfcn03(int, int, int, int, int* data, int*) {
// 模拟读取操作 - 返回固定数据
if (data) {
data[0] = 0x1234;
data[1] = 0x5678;
}
return MODBUS_SUCCESS;
}
int mock_mbtcpfcn16(int, int, int, int, WORD* data, int*, int*) {
// 模拟写入操作 - 验证写入数据
if (data) {
// 验证写入的数据是否符合预期
assert(data[0] == 0xABCD);
assert(data[1] == 0x1234);
}
return MODBUS_SUCCESS;
}
// 其他模拟函数类似...
```
## 测试用例实现
### 1. 地址有效性验证测试
```cpp
void testAddressValidation(TestStats& stats) {
// 有效地址测试
bool result1 = is_address_valid(ELEM_IX, 0, 10) == 1;
bool result2 = is_address_valid(ELEM_QX, 4090, 6) == 1;
bool result3 = is_address_valid(ELEM_MW, 65500, 36) == 1;
// 无效地址测试
bool result4 = is_address_valid(ELEM_IX, -1, 10) == 0;
bool result5 = is_address_valid(ELEM_QX, 4090, 10) == 0; // 超出范围
bool result6 = is_address_valid(ELEM_MW, 65500, 100) == 0; // 超出范围
printTestResult(result1 && result2 && result3 && result4 && result5 && result6,
"地址有效性验证", stats);
}
```
### 2. 浮点数字节序转换测试
```cpp
void testFloatConversion(TestStats& stats) {
float original = 123.456f;
uint8_t bytes[4];
// 转换并验证
convert_float_to_BADC(original, bytes);
float converted = convert_BADC_to_float(bytes);
// 验证转换精度
bool result = std::abs(original - converted) < 0.001f;
printTestResult(result, "浮点数字节序转换", stats);
// 输出转换细节
std::cout << " 原始值: " << original
<< " | 转换后: " << converted
<< " | 差异: " << (original - converted) << std::endl;
}
```
### 3. 字节读写测试（覆盖所有区域）
```cpp
void testByteReadWrite(TestStats& stats) {
BYTE writeData[5] = {0x01, 0x23, 0x45, 0x67, 0x89};
BYTE readData[5] = {0};
// M区测试
int resultM = PLC_Write_Soft_Elem(ELEM_MW, 100, 5, writeData, 0);
int readResultM = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 100, 5, readData, 0);
bool mSuccess = (resultM == MODBUS_SUCCESS) &&
(readResultM == MODBUS_SUCCESS) &&
(memcmp(writeData, readData, 5) == 0);
// Q区测试（写入）
int resultQ = PLC_Write_Soft_Elem(ELEM_QX, 100, 5, writeData, 0);
bool qWriteSuccess = (resultQ == MODBUS_SUCCESS);
// I区测试（只读，不应允许写入）
int resultI = PLC_Write_Soft_Elem(ELEM_IX, 100, 5, writeData, 0);
bool iWriteSuccess = (resultI == MODBUS_ERR_PROTOCOL);
printTestResult(mSuccess && qWriteSuccess && iWriteSuccess,
"字节读写测试（所有区域）", stats);
}
```
### 4. 16位整数读写测试
```cpp
void testInt16ReadWrite(TestStats& stats) {
int16_t writeData[3] = {-100, 0, 32767}; // 边界值
int16_t readData[3] = {0};
// M区测试
int resultM = PLC_Write_Soft_Elem_Int16(ELEM_MW, 200, 3, writeData, 0);
int readResultM = PLC_Read_Soft_Elem_Int16(ELEM_MW, 200, 3, readData, 0);
bool mSuccess = (resultM == MODBUS_SUCCESS) &&
(readResultM == MODBUS_SUCCESS) &&
(memcmp(writeData, readData, sizeof(writeData)) == 0);
// Q区测试
int resultQ = PLC_Write_Soft_Elem_Int16(ELEM_QX, 200, 3, writeData, 0);
bool qSuccess = (resultQ == MODBUS_SUCCESS);
// I区测试（只读）
int16_t readI[3] = {0};
int readResultI = PLC_Read_Soft_Elem_Int16(ELEM_IX, 200, 3, readI, 0);
bool iSuccess = (readResultI == MODBUS_SUCCESS);
printTestResult(mSuccess && qSuccess && iSuccess,
"16位整数读写测试", stats);
}
```
### 5. 32位整数和浮点数读写测试
```cpp
void test32BitDataReadWrite(TestStats& stats) {
// 32位整数测试
uint32_t intWriteData[2] = {0x12345678, 0xFFFFFFFF};
uint32_t intReadData[2] = {0};
int intResult = PLC_Write_Soft_Elem_UInt32(ELEM_MW, 300, 2, intWriteData, 0);
int intReadResult = PLC_Read_Soft_Elem_UInt32(ELEM_MW, 300, 2, intReadData, 0);
bool intSuccess = (intResult == MODBUS_SUCCESS) &&
(intReadResult == MODBUS_SUCCESS) &&
(memcmp(intWriteData, intReadData, sizeof(intWriteData)) == 0);
// 浮点数测试
float floatWriteData[3] = {0.0f, -123.456f, 3.14159f};
float floatReadData[3] = {0.0f};
int floatResult = PLC_Write_Soft_Elem_Float(ELEM_MW, 400, 3, floatWriteData, 0);
int floatReadResult = PLC_Read_Soft_Elem_Float(ELEM_MW, 400, 3, floatReadData, 0);
bool floatSuccess = true;
for (int i = 0; i < 3; i++) {
if (std::abs(floatWriteData[i] - floatReadData[i]) > 0.001f) {
floatSuccess = false;
break;
}
}
printTestResult(intSuccess && floatSuccess,
"32位整数和浮点数读写测试", stats);
}
```
### 6. 异常情况测试
```cpp
void testErrorHandling(TestStats& stats) {
// 无效指针测试
int result1 = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 100, 5, nullptr, 0);
bool test1 = (result1 == MODBUS_ERR_INVALID);
// 无效数量测试
int result2 = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 100, 0, new BYTE[5], 0);
bool test2 = (result2 == MODBUS_ERR_INVALID);
// 无效区域测试
int result3 = PLC_Read_Soft_Elem(static_cast<SoftElemType>(99), 100, 5, new BYTE[5], 0);
bool test3 = (result3 == MODBUS_ERR_PROTOCOL);
// 地址溢出测试
int result4 = PLC_Read_Soft_Elem(ELEM_MW, 65500, 100, new BYTE[100], 0);
bool test4 = (result4 == MODBUS_ERR_INVALID);
printTestResult(test1 && test2 && test3 && test4,
"异常情况处理测试", stats);
}
```
## 测试主程序
```cpp
int main() {
TestStats stats;
std::cout << "=== Modbus TCP软元件读写函数测试开始 ===" << std::endl;
// 执行所有测试用例
testAddressValidation(stats);
testFloatConversion(stats);
testByteReadWrite(stats);
testInt16ReadWrite(stats);
test32BitDataReadWrite(stats);
testErrorHandling(stats);
// 输出测试摘要
std::cout << "\n=== 测试摘要 ===" << std::endl;
std::cout << "总测试用例: " << stats.totalTests << std::endl;
std::cout << "通过: " << stats.passedTests << std::endl;
std::cout << "失败: " << stats.failedTests << std::endl;
std::cout << "通过率: "
<< (static_cast<float>(stats.passedTests) / stats.totalTests * 100)
<< "%" << std::endl;
return stats.failedTests > 0 ? 1 : 0;
}
```
## 深度测试讲解
### 测试覆盖策略
1. **数据类型覆盖**：
- 位数据：通过字节读写测试覆盖
- 整型数据：16位和32位有符号/无符号整数
- 浮点数据：单精度浮点数
- 特殊格式：BADC字节序浮点数
2. **区域覆盖**：
- I区（输入区）：只读测试
- Q区（输出区）：读写测试
- M区（存储区）：主要数据存储区域测试
3. **边界测试**：
- 地址边界：0地址、最大地址、地址溢出
- 数值边界：最小/最大整数值、0值、特殊浮点值
- 数据量边界：0字节、单字节、奇数/偶数对齐
4. **异常处理**：
- 空指针验证
- 无效参数验证
- 无效区域验证
- 地址溢出验证
### 测试方法深度解析
1. **字节序验证**：
- 使用浮点数转换函数进行往返测试
- 验证转换前后数值差异在允许范围内
- 输出转换细节用于调试
$$ \text{误差} = |\text{原始值} - \text{转换后值}| < 0.001 $$
2. **数据一致性验证**：
- 写入后立即读取，比较数据一致性
- 使用内存比较确保二进制级别一致
- 对于浮点数，使用相对误差验证
3. **区域特性验证**：
- I区：验证只读特性，拒绝写入操作
- Q区：验证读写功能
- M区：验证大容量数据存储
4. **性能考量**：
- 测试数据量应覆盖典型应用场景
- 边界测试应包含极端情况
- 内存分配验证（如malloc失败处理）
### 测试执行流程
1. **初始化**：设置测试环境，重置PLC模拟状态
2. **测试执行**：
- 执行单个测试用例
- 验证函数返回值
- 验证数据一致性
3. **结果记录**：
- 记录测试通过/失败状态
- 收集详细错误信息
4. **摘要报告**：
- 统计总体通过率
- 分类展示测试结果
- 提供失败用例的详细信息
## 测试结果分析
测试程序执行后，将生成详细的测试报告：
1. 每个测试用例的通过/失败状态
2. 失败用例的详细错误信息
3. 整体通过率统计
4. 各功能模块的测试覆盖率
通过分析测试结果，可以：
1. 识别函数实现中的边界条件处理问题
2. 验证字节序转换的正确性
3. 确认各区域访问权限的正确实现
4. 发现潜在的内存处理问题
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