Modbus-RTU详解

Modbus-RTU协议

Modbus RTU 协议是一种开放的串行协议，广泛应用于当今的工业监控设备中。该协议使用 RS-232 或 RS-485 串行接口进行通信，并得到市场上几乎所有商业 SCADA、HMI、OPC 服务器和数据采集软件程序的支持。因此，很容易将 Modbus 兼容设备集成到新的或现有的监控应用程序中，并具有即时的软件支持。

帧结构：设备地址、功能码、数据和CRC校验字段。

常用功能码：Modbus-RTU协议定义了一系列常用的功能码，用于执行不同的操作，如读取保持寄存器、写入单个寄存器、写入多个寄存器等。

(1). 功能码-0x03读保持寄存器：该功能码用于从设备中读取一个或多个保持寄存器的值。
(2). 功能码-0x06写单个寄存器：该功能码用于向设备中写入一个保持寄存器的值。
(3). 功能码-0x10写多个寄存器：该功能码用于向设备中写入多个连续的保持寄存器的值。

帧结构示例

Modbus RTU 功能 01 用于从 Modbus 从站数据采集设备读取线圈状态或数字输出状态。请参阅下面的典型命令和响应以及使用说明。

主机发送：  01 03 00 00 00 01 84 0A
 从机响应：  01 03 02 19 98 B2 7E

该例子中，主机发送的数据为地址 + 功能码 + 数据 + 校验​，CRC校验码是根据前面的数据计算得出的

回复的数据格式

​

CRC16校验算法

CRC全称循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check， CRC)，是通信领域数据传输技术中常用的检错方法，用于保证数据传输的可靠性。

CRC校验的基本思路是数据发送方发送数据之前，先生成一个CRC校验码，可以是单bit也可以是多bit，并附在有效数据末尾，以串行方式发送到接收方。接收方接收到数据后，进行CRC校验，根据校验结果就可以知道数据是否有误。

CRC校验码的生成：将有效数据扩展后作为被除数，使用一个指定的多项式作为除数，进行模二除法，得到的余数就是校验码。

数据接收方的CRC校验：将接受的数据(有效数据+CRC校验码)扩展后作为被除数，用指定的多项式作为除数，进行模二除法，得到余数为0，则表示校验正确。

我们使用代码向设备发送命令帧时需要使用CRC算法计算校验值，当设备响应数据时使用CRC算法校验该数据是否正确，

CRC16算法的过程

1 初始化一个16位的寄存器地址 用作初始值
2 遍历数据字节，从最高位到最低位，
3 将数据字节与寄存器异或
4 对寄存器进行8次迭代，每一次迭代将寄存器右移一位
5 如果最低位位1，将寄存器与生成多项式0x8005异或，否则只进行右移操作
6 重复上述步骤直到遍历完所有的字节
7 最终寄存器的值就是crc16校验码
8 crc计算之后高低位进行互换

以下是封装的CRC16效验算法类：

    public static class CRC16
    {
        /// <summary>
        /// CRC校验，参数data为byte数组
        /// </summary>
        /// <param name="data">校验数据，字节数组</param>
        /// <returns>字节0是高8位，字节1是低8位</returns>
        public static byte[] CRCCalc(byte[] data)
        {
            //crc计算赋初始值
            int crc = 0xffff;
            for (int i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                crc = crc ^ data[i];
                for (int j = 0; j < 8; j++)
                {
                    int temp;
                    temp = crc & 1;
                    crc = crc >> 1;
                    crc = crc & 0x7fff;
                    if (temp == 1)
                    {
                        crc = crc ^ 0xa001;
                    }
                    crc = crc & 0xffff;
                }
            }
            //CRC寄存器的高低位进行互换
            byte[] crc16 = new byte[2];
            //CRC寄存器的高8位变成低8位，
            crc16[1] = (byte)((crc >> 8) & 0xff);
            //CRC寄存器的低8位变成高8位
            crc16[0] = (byte)(crc & 0xff);
            return crc16;
        }
    
        /// <summary>
        /// CRC校验，参数为空格或逗号间隔的字符串
        /// </summary>
        /// <param name="data">校验数据，逗号或空格间隔的16进制字符串(带有0x或0X也可以),逗号与空格不能混用</param>
        /// <returns>字节0是高8位，字节1是低8位</returns>
        public static byte[] CRCCalc(string data)
        {
            //分隔符是空格还是逗号进行分类，并去除输入字符串中的多余空格
            IEnumerable<string> datac = data.Contains(",") ? data.Replace(" ", "").Replace("0x", "").Replace("0X", "").Trim().Split(',') : data.Replace("0x", "").Replace("0X", "").Split(' ').ToList().Where(u => u != "");
            List<byte> bytedata = new List<byte>();
            foreach (string str in datac)
            {
                bytedata.Add(byte.Parse(str, System.Globalization.NumberStyles.AllowHexSpecifier));
            }
            byte[] crcbuf = bytedata.ToArray();
            //crc计算赋初始值
            return CRCCalc(crcbuf);
        }
    
        /// <summary>
        ///  CRC校验，截取data中的一段进行CRC16校验
        /// </summary>
        /// <param name="data">校验数据，字节数组</param>
        /// <param name="offset">从头开始偏移几个byte</param>
        /// <param name="length">偏移后取几个字节byte</param>
        /// <returns>字节0是高8位，字节1是低8位</returns>
        public static byte[] CRCCalc(byte[] data, int offset, int length)
        {
            byte[] Tdata = data.Skip(offset).Take(length).ToArray();
            return CRCCalc(Tdata);
        }
    }

modbus-rtu的使用

发送数据

现要读取变送器设备（地址 0x01）的风速值，文档如图所示

我们发送的命令帧应为

根据命令帧计算校验码（3种方式）

    byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01 };
    byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(buffer);  // 根据字节数组计算
    Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");
    
    string data1 = "0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x02";
    string data1 = "0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x02";
    byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(data1);    // 根据字符串计算
    Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");
    
     byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0xC4, 0x0B };
     byte[] crc16 = CRC16Calc(buffer,0,6);  // 从字节数组中截取某部分计算
     Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");

将数据和校验码数组进行合并然后发送

    byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01 };
    byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(buffer);
    byte[] data = buffer.Concat(crc16).ToArray();
    serialPort.Write(data, 0, data.Length);

接收数据

我们将命令帧（请求帧、问询码）发送后，如果没有错误，从设备会返回对应的数据，如下读取变送器设备（地址 0x01）的实时风力等级值，将会返回如图所示的数据，我们需要将数据读取、校验、计算、展示

    // 假设这是从设备响应的数据
    // 0x01：设备地址码
    // 0x03：功能码
    // 0x02：读取到的数据字节
    // 0x00, 0x01：当前风力等级
    // 0x79, 0x84：校验码
    byte[] value = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x02, 0x00, 0x01, 0x79, 0x84 };
    // 1、验证校验码是否正确
    byte[] crc = CRC16.CRCCalc(value, 0, value.Length - 2);
    if (crc[0] != value[value.Length - 2] || crc[1] != value[value.Length-1] ) {
        MessageBox.Show("数据校验错误，应忽略");
        return;
    }
    // 2、验证设备地址
    if (value[0] !=  0x01)
    {
        MessageBox.Show("设备地址不正确");
        return;
    }
    // 3、计算数据
    // int v = value[3] * 256 + value[4];  // 因为这个数据占两个字节，每个字节最大255，相当于256进制，转换为10进制
    int v = (value[3] << 8) + value[4];       // 也可以使用左移运算符，高位左移8位，相当于乘2的8次方
    
    // 4、数据展示
    MessageBox.Show("风力等级：" + v);

tcp网口完整实现modbus-rtu协议

public partial class Form1 : Form
{
    /// <summary>
    /// 套接字
    /// </summary>
    Socket socket;
    
    /// <summary>
    /// IP地址
    /// </summary>
    string Ip = "192.168.107.5";

    /// <summary>
    /// 端口
    /// </summary>
    string Dk = "8016";

    /// <summary>
    /// 命令帧
    /// </summary>
    string Icommand = "01 03 00 00 00 02";

    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
        button1.Enabled = false;
        checkBox1.Enabled = false;
    }

    /// <summary>
    /// 打开连接
    /// </summary>
    /// <param name="sender"></param>
    /// <param name="e"></param>
    private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        if (button2.Text == "连接网口")
        {
            try
            {
                socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                socket.Connect(Ip, int.Parse(Dk));

                button1.Enabled = true;
                checkBox1.Enabled = true;
                button2.Text = "断开";
                this.timer1.Start();
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show(ex.Message);
            }
        }
        else
        {
            if (socket == null) return;
            socket.Close();
            button1.Enabled = false;
            checkBox1.Enabled = false;
            checkBox1.Checked = false;
            button2.Text = "连接网口";
            this.timer1.Stop();
        }
        
    }

    /// <summary>
    /// 刷新风速风向数据
    /// </summary>
    /// <param name="sender"></param>
    /// <param name="e"></param>
    private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        byte[] bs = new byte[1024];
        bs = StringToByte(Icommand);
        byte[] bb = CRCCalc(bs);
        bs = bs.Concat(bb).ToArray();
        await Task.Run(() =>
        {
            socket.Send(bs); // 发送请求帧

            byte[] body = new byte[1024];
            int length = socket.Receive(body); // 获取响应帧

            double value = (body[3] * 256+ body[4]) *0.01;
            double value2 = (body[5] * 256 + body[6]);
            this.Invoke(new Action(() =>
            {
                this.textBox1.Text = value.ToString() + "m/s";
                this.textBox2.Text = value2.ToString();
            }));

        });

    }

    /// <summary>
    /// 字符串转字节
    /// </summary>
    /// <param name="s"></param>
    /// <returns></returns>
    byte[] StringToByte(string s)
    {
        string[] strings = s.Split(' ') ;
        byte[] bs = new byte[strings.Length];
        for (int i = 0; i < strings.Length; i++)
        {
            bs[i] = Convert.ToByte(strings[i],16);
        }
        return bs;
    }

    /// <summary>
    /// CRC效验
    /// </summary>
    /// <param name="data"></param>
    /// <returns></returns>
    public static byte[] CRCCalc(byte[] data)
    {
        //crc计算赋初始值
        int crc = 0xffff;
        for (int i = 0; i < data.Length; i++)
        {
            //XOR
            //(1) 0^0=0,0^1=1  0异或任何数＝任何数
            //(2) 1 ^ 0 = 1,1 ^ 1 = 0  1异或任何数－任何数取反
            //(3) 1 ^ 1 = 0,0 ^ 0 = 0  任何数异或自己＝把自己置0
            //异或操作符是^。异或的特点是相同为false，不同为true。
            crc = crc ^ data[i]; //和^表示按位异或运算。
                                 //0x0fff ^ 0x01 Console.WriteLine(result.ToString("X")); 
                                 // 输出结果为4094，即十六进制数1001
            for (int j = 0; j < 8; j++)
            {
                int temp;
                temp = crc & 1; // & 运算符(与) 1 & 0 为 0  ;0 & 0 为0;1 & 1 为1

                //右移 (>>) 将第一个操作数向右移动第二个操作数所指定的位数，空出的位置补0。右移相当于整除. 右移一位相当于除以2;右移两位相当于除以4;右移三位相当于除以8。
                //int i = 7;
                //int j = 2;
                //Console.WriteLine(i >> j);   //输出结果为1
                crc = crc >> 1;
                crc = crc & 0x7fff;
                if (temp == 1)
                {
                    crc = crc ^ 0xa001;
                }
                crc = crc & 0xffff;
            }
        }
        //CRC寄存器的高低位进行互换
        byte[] crc16 = new byte[2];
        //CRC寄存器的高8位变成低8位，
        crc16[1] = (byte)((crc >> 8) & 0xff);
        //CRC寄存器的低8位变成高8位
        crc16[0] = (byte)(crc & 0xff);
        return crc16;
    }
}

使用NModbus4实现modbus-rtu协议

NModbus4是一个C#实现的Modbus库，它允许开发者以Modbus RTU的方式与工业设备进行通信。

安装NModbus4库。

通过NuGet安装NModbus4

串口实现NModbus4

public partial class Form1 : Form
{
    // 创建对象
    ModbusSerialMaster master;
    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
        this.serialPort1.PortName = "COM2"; // 串口名
        this.serialPort1.BaudRate = 9600;
        this.serialPort1.DataBits = 8;
        this.serialPort1.Parity =System.IO.Ports.Parity.None;
        this.serialPort1.StopBits = System.IO.Ports.StopBits.One;

        serialPort1.Open();
        master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort1);
    }

    /// <summary>
    ///  读取数据
    /// </summary>
    /// <param name="sender"></param>
    /// <param name="e"></param>
    private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        // ReadHoldingRegistersAsync 异步读取数据
        // await 等待异步任务执行完之后 再往下执行
        // 参数1 从站地址， 参数2 起始地址  参数3：寄存器个数
        // values 元素个数和寄存器个数有关
        ushort[] values = await master.ReadHoldingRegistersAsync(1,0x00,3);
        comboBox1.DataSource = values;
    }

    /// <summary>
    /// 写入数据
    /// </summary>
    /// <param name="sender"></param>
    /// <param name="e"></param>
    private async void button2_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        // 写入 单个的寄存器
        // 参数1 从站地址
        // 参数2 写入的地址
        // 参数3 写入的数据 
        // short 短整型
        // ushort 无符号的短整型
        await master.WriteSingleRegisterAsync(1,0x04,14);
    }
}

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