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Modbus协议与SerialPort端口读写

晗韩不普通 2022-06-08 阅读 74
寄存器从站i++.Net编程语言

@[toc]

一、Modbus协议

  • 概念
    Modbus协议是MODICON（莫迪康）（现施耐德品牌）在1979年开发的，是全球第一个真正用于现场的总线协议。
    Modbus协议是应用于电子控制器的一种通用语言。通过此协议，可以实现控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间的通信。
  • 特点
    • 标准开放、公开发表、无版税要求、无许可证费（没有费用）
    • 支持多种接口（RS232\RS422\RS485\RJ45）；各种传输介质（双绞线，网线）
    • 格式简单、紧凑、通俗易懂，容易上手（好用）
  • Modbus总线通信环境
    • 基本通信
    • 从机编码

      二、Modbus协议的分类

  • 分类
    • 串口 RS485（一注多从）：ModbusAscii【Ascii字符方式进行发送】、ModbusRTU
    • 以太网（点对点链接）ModbusTCP、ModbusUDP
  • Modbus协议下的数据存储
    • 数据存储中的位、字节byte （8位）、字 word（2个字节，16位）、双字 word(4个字节 32位)，C#中的数据显示：数据类型、显示格式
    • 内存分区与功能
      		 存储区 对象类型 访问类型 存储区标识 说明 可用功能码
      线圈状态 单个bit 读写 0XXXX 通过应用程序改变这种类型数据 01 05 15
      输入线圈 单个bit 只读 1XXXX I/O系统提供这种类型数据 02
      输入寄存器 16-位字 只读 3XXXX I/O系统提供这种类型数据 04
      保持寄存器 16-位字 读写 4XXXX 通过应用程序改变这种类型数据 03 06 16
    • 操作存储区的命令
    • 功能码：01、02、03、04、05、06、15、16
      在这里插入图片描述

三、Modbus通信报文解读

  • 读寄存器消息帧格式

    • TX：发送 RX：接收
      示例如下： 16进制 
       //01：读1号从站保持型寄存器 
 //03：功能码
 //00 00  :起始地址  （高低位）00 00 
 //00 0A  :读取数量  （高低位）00 0A
 //C5 CD:CRC校验
 Tx:000662-01 03 00 00 00 0A C5 CD
 Rx:000663-01 03 14 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 DA 85
    • 0x03 0x04
    • 请求
      		 从站地址 功能码 起始地址 读取长度(2byte - > 16bit) CRC
      01 03 00（Hi）00（Lo） 00（Hi）0A（Lo） CS CD
    • 响应
      		 从站地址 功能码 字节数 寄存器值（1） 寄存器值（2） ...... 寄存器值（20） CRC
      01 03 14 00（Hi）00（Lo） 00（Hi）00（Lo） ..... 00（Hi）00（Lo） XX XX

    • 代码如下

      • 实现方式一 
        SerialPort serialPort = new SerialPort("COM3", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
                serialPort.Open();
                Modbus.Device.ModbusMaster modbusMaster = Modbus.Device.ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort);
                Task.Run(() =>
                {
                    while (true)
                    {
                        Task.Delay(5000).Wait();
                        ushort[] arry = modbusMaster.ReadInputRegisters(1, 0, 2);
                        Console.WriteLine($"温度：{(arry[1] * 0.1).ToString("#0.0")} ℃");
                        Console.WriteLine($"湿度：{(arry[0] * 0.1).ToString("#0.0")}%");
                    }
                });

      • 实现方式二

        SerialPort serialPort = new SerialPort("COM3", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
serialPort.Open();

List<byte> bytes = new List<byte>();
//设备号
bytes.Add(0x01);
//功能码
bytes.Add(0x03);
//地址  两个字节
ushort addr = 0;
bytes.Add((byte)(addr / 256));  //高位
bytes.Add((byte)(addr % 256)); //低位
                               //数量
ushort leng = 2;
bytes.Add((byte)(leng / 256));  //高位
bytes.Add((byte)(leng % 256)); //低位
                               //CRC校验码
bytes = CRC16(bytes);
//发送报文
serialPort.Write(bytes.ToArray(), 0, bytes.Count);
//接收报文

byte[] data = new byte[2 * 2 + 5];
serialPort.Read(data, 0, data.Length);
//解析报文  短整型    01 03 06 00 19 00 19 00 02 6C B1 
for (int i = 3; i < data.Length - 2; i = i + 2)
{
    byte[] vb = new byte[2] { data[i + 1], data[i] };
    ushort u = BitConverter.ToUInt16(vb);//无符号短整型   BitConverter 为小端处理
    Console.WriteLine(u);
}

//解析浮点型    ABCD
for (int i = 3; i < data.Length - 2; i += 4)
{
    var v = data[i + 3];  //D
    var v1 = data[i + 2];//C
    var v3 = data[i + 1];//B
    var v4 = data[i];//A
    byte[] vb = new byte[4] {
            data[i + 3],
            data[i + 2],
            data[i + 1],
            data[i]
        };
    float aa = BitConverter.ToSingle(vb);
    //   Console.WriteLine(u);
}
static List<byte> CRC16(List<byte> value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
{
    if (value == null || !value.Any())
        throw new ArgumentException("");

    //运算
    ushort crc = crcInit;
    for (int i = 0; i < value.Count; i++)
    {
        crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
        for (int j = 0; j < 8; j++)
        {
            crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
        }
    }
    byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
    byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

    List<byte> buffer = new List<byte>();
    buffer.AddRange(value);
    buffer.Add(lo);
    buffer.Add(hi);
    return buffer;
}
  • 写单寄存器消息帧格式
    • 请求与响应
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入值（2） CRC
      01 06 00（Hi）00（Lo） 00（Hi）00（Lo） XX XX
    • 代码如下 
          SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
    serialPort.Open();
    List<byte> bytes = new List<byte>();
    //设备号
    bytes.Add(0x01);
    //功能码
    bytes.Add(0x06);
    //地址  两个字节
    ushort addr = 3;
    bytes.Add((byte)(addr / 256));  //高位
    bytes.Add((byte)(addr % 256)); //低位
    // 写入寄存器的值
    ushort value = 100;
    bytes.Add((byte)(value / 256));  //高位
    bytes.Add((byte)(value % 256)); //低位
                                    //CRC校验码
    bytes = CRC16(bytes);
    serialPort.Write(bytes.ToArray(), 0, bytes.Count);

  • 写多寄存器消息帧格式

    • 请求
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入数量 字节数 写入值 CRC
      01 10 00（Hi）00（Lo） 00（Hi）0A（Lo） 04 0A AB 00 01 XX XX
    • 响应
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入数量 CRC
      01 0F 00（Hi）00（Lo） 00（Hi）0A（Lo） XX XX

    • 代码如下

      • 整形数据

           SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1",9600,Parity.None,8,StopBits.One);
    serialPort.Open();
    List<byte> list = new List<byte>();
    //设备号
    list.Add(0x01);
    //功能码
    list.Add(0x10);
    //地址
    ushort addr = 0;
    list.Add((byte)(addr / 256));//高位
    list.Add((byte)(addr % 256));//低位 
    //写入多个相同类型的值
    List<ushort> values = new List<ushort>();
    values.Add(111);
    values.Add(item: 222);
    values.Add(333);
    //写入数量 
    list.Add((byte)(values.Count / 256));//高位
    list.Add((byte)(values.Count % 256));//低位 
    //写入字节数 6个字节
    list.Add((byte)(values.Count*2));
    for (int i = 0; i < values.Count; i++)
    {
        //第一种
        //list.Add((byte)(values[i] / 256));
        //list.Add((byte)(values[i] %256));
        //第二种
        //list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[1]);
        // list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[0]);
        //第三种
        list.AddRange(BitConverter.GetBytes(values[i]).Reverse());
    }
    list = CRC16(list);
    serialPort.Write(list.ToArray(),0, list.Count);        
//验证检验码
static List<byte> CRC16(List<byte> value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
{
    if (value == null || !value.Any())
        throw new ArgumentException("");

    //运算
    ushort crc = crcInit;
    for (int i = 0; i < value.Count; i++)
    {
        crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
        for (int j = 0; j < 8; j++)
        {
            crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
        }
    }
    byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
    byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

    List<byte> buffer = new List<byte>();
    buffer.AddRange(value);
    buffer.Add(lo);
    buffer.Add(hi);
    return buffer;
}

      • 浮点型数据

           SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
    serialPort.Open();
    List<byte> list = new List<byte>();
    //设备号
    list.Add(0x01);
    //功能码
    list.Add(0x10);
    //地址
    ushort addr = 0;
    list.Add((byte)(addr / 256));//高位
    list.Add((byte)(addr % 256));//低位 
    List<float> values = new List<float>();
    values.Add(1.1f);
    values.Add(item: 2.1f);
    values.Add(item: 2.3f);
    //数量
    list.Add((byte)(values.Count * 2 / 256));
    list.Add((byte)(values.Count * 2 % 256));
    //字节长度
    list.Add((byte)(list.Count * 4));
    for (int i = 0; i < values.Count; i++)
    {
        list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[3]);  //A
        list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[2]); //B
        list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[1]);//C
        list.Add(BitConverter.GetBytes(values[i])[0]);//D
    }
    list = CRC16(list);
    serialPort.Write(list.ToArray(), 0, list.Count);     
    //验证检验码
   static List<byte> CRC16(List<byte> value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
    {
        if (value == null || !value.Any())
            throw new ArgumentException("");

        //运算
        ushort crc = crcInit;
        for (int i = 0; i < value.Count; i++)
        {
            crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
            for (int j = 0; j < 8; j++)
            {
                crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
            }
        }
        byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
        byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

        List<byte> buffer = new List<byte>();
        buffer.AddRange(value);
        buffer.Add(lo);
        buffer.Add(hi);
        return buffer;
    }

  • 线圈状态

    • 读线圈消息帧格式：OXO1，0X02
    • 请求
      		 从站地址 功能码 起始地址 读取长度 CRC
      01 01 00(HI) 00(LO) 00(HI) 0A(LO) xx xx
    • 响应
      		 从站地址 功能码 字节数 输出状态15-8 输出状态15-8 CRC
      01 01 02 00 00 xx xx

    • 代码如下

              SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
        serialPort.Open();
        List<byte> list = new List<byte>();
        // 设备名称
        list.Add(0x01);
        //功能码
        list.Add(0x01);
        //起始地址
        ushort addr = 0;
        list.Add((byte)(addr / 256));//高位
        list.Add((byte)(addr % 256));//低位 
        //读取寄存器数量
        ushort leng = 10;
        list.Add((byte)(leng / 256));  //高位
        list.Add((byte)(leng % 256)); //低位
        list = CRC16(list);
        serialPort.Write(list.ToArray(), 0, list.Count);

        //响应
        byte[] data = new byte[(int)Math.Ceiling(leng * 1.0 / 8) + 5];
        serialPort.Read(data, 0, data.Length);
        List<byte> dataList = new List<byte>();
        //获取字节数据  2个字节   16 位
        for (int i = 3; i < data.Length && dataList.Count < (int)Math.Ceiling(leng * 1.0 / 8); i++)
        {
            dataList.Add(data[i]);
        }
        int count = 0;
        //字节运算
        for (int i = 0; i < dataList.Count; i++)
        { 
            //按位与运算的方式
            for (int k = 0; k < 8; k++)
            {
                //移位
                byte temp = (byte)(1 << k % 8);
                //与运算
                byte b = (byte)(dataList[i] & temp);
                //输出结果 
                Console.WriteLine((dataList[i] & temp) != 0);
                count++;
                if (count == leng)
                    break;
            }
        }
    //CRC校验码
    static List<byte> CRC16(List<byte> value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
    {
        if (value == null || !value.Any())
            throw new ArgumentException("");

        //运算
        ushort crc = crcInit;
        for (int i = 0; i < value.Count; i++)
        {
            crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
            for (int j = 0; j < 8; j++)
            {
                crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
            }
        }
        byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
        byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

        List<byte> buffer = new List<byte>();
        buffer.AddRange(value);
        buffer.Add(lo);
        buffer.Add(hi);
        return buffer;
    }
    • 写线圈状态帧 0x05
    • 请求
    • 响应
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入值 CRC
      01 05 00(HI) 00(LO) FF（HI）/00(HI) 00(Lo) xx xx

    • 代码如下

              SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
        serialPort.Open();
        List<byte> data = new List<byte>();
        //设备名称
        data.Add(0x01);
        //功能码
        data.Add(0x05);
        //地址
        ushort addr = 11;
        data.Add((byte)(addr/256));//高位
        data.Add((byte)(addr % 256));//低位
        //写入值  on:0xFF  0x00 off:0x00 0x00
        data.Add(0x00);
        data.Add(0x00);
        //校验
        data = CRC16(data);
        serialPort.Write(data.ToArray(),0, data.Count);     

    //CRC校验码
    static List<byte> CRC16(List<byte> value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
    {
        if (value == null || !value.Any())
            throw new ArgumentException("");

        //运算
        ushort crc = crcInit;
        for (int i = 0; i < value.Count; i++)
        {
            crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
            for (int j = 0; j < 8; j++)
            {
                crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
            }
        }
        byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
        byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

        List<byte> buffer = new List<byte>();
        buffer.AddRange(value);
        buffer.Add(lo);
        buffer.Add(hi);
        return buffer;
    }
    • 写多线圈状态帧 0x0F
    • 请求
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入数量 字节数 写入值 CRC
      01 0F 00(HI) 00(LO) 00(HI) 0A(LO) 02 0A(Hi) AB(Lo) xx xx
    • 响应
      		 从站地址 功能码 写入地址 写入数量 CRC
      01 0F 00(HI) 00(LO) 00(HI) 00(LO) xx xx

    • 代码如下

              SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
        serialPort.Open();
        List<byte> data = new List<byte>();
        //设备名称
        data.Add(0x01);
        //功能码
        data.Add(0x0F);
        //地址
        ushort addr = 10;
        data.Add((byte)(addr / 256));//高位
        data.Add((byte)(addr % 256));//低位

        //输入值
        List<bool> state = new List<bool>() { true, false, true, false, true ,true, false, true, false, true };
        //写入数量  写入多少个寄存器 
        data.Add((byte)(state.Count / 256));//高位
        data.Add((byte)(state.Count % 256));//低位 

        byte data1 = 0;
        List<byte> list = new List< byte > ();
        int index = 0;
        //0000 0000 
        for (int i = 0; i < state.Count; i++)
        {
            if (i % 8 == 0)
                list.Add(0x00);
            index = list.Count-1;
            if (state[i])
            {
                //移位
                byte temp = (byte)(1 << (i%8));
                //或运算
                list[index]  |=  temp;
            }

        }
        //字节数
        data.Add((byte)list.Count);
        // 添加
        data.AddRange(list);
        //校验
        data = CRC16(data);
        serialPort.Write(data.ToArray(),0,data.Count);
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