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Modbus RTU 通信工具設計

發(fā)布時間：2020-06-18 05:02:04 來源：網(wǎng)絡 閱讀：3973 作者：guangrou 欄目：編程語言
 

Modbus 是一個工業(yè)上常用的通訊協(xié)議、一種通訊約定。

ModBus 協(xié)議是應用層報文傳輸協(xié)議（OSI 模型第7層），它定義了一個與通信層無關的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），即PDU=功能碼+數(shù)據(jù)域。
ModBus 協(xié)議能夠應用在不同類型的總線或網(wǎng)絡。對應不同的總線或網(wǎng)絡，Modbus 協(xié)議引入一些附加域映射成應用數(shù)據(jù)單元（ADU），即ADU=附加域+PDU。目前，Modbus 有下列三種通信方式：
1. 以太網(wǎng)，對應的通信模式是Modbus TCP。
2. 異步串行傳輸（各種介質如有線RS-232-/422/485/；光纖、無線等），對應的通信模式是 Modbus RTU 或 Modbus ASCII。Modbus 的ASCII、RTU 協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結構、命令和應答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式。
3. 高速令牌傳遞網(wǎng)絡，對應的通信模式是Modbus PLUS。

 

Modbus 需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII 模式采用LRC 校驗；RTU 模式采用16位CRC 校驗；TCP 模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗，因為TCP 是一個面向連接的可靠協(xié)議。

 

Modbus 協(xié)議的應用中，最常用的是Modbus RTU 傳輸模式。

 

RTU 傳輸模式 

當設備使用RTU (Remote Terminal Unit) 模式在 Modbus  串行鏈路通信， 報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率。每個報文必須以連續(xù)的字符流傳送。 

 

RTU 模式每個字節(jié) ( 11 位 ) 的格式為：

       編碼系統(tǒng)：  8位二進制。 報文中每個8位的字節(jié)含有兩個4位十六進制字符(0–9， A–F)

  Bits per Byte：  1 起始位

                   8 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位

                   1 位作為奇偶校驗

                   1 停止位

偶校驗是要求的，其它模式 ( 奇校驗， 無校驗 ) 也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性，同時支持無校驗模式是建議的。默認校驗模式模式 必須為偶校驗。注：使用無校驗要求2 個停止位。 

 

字符的串行傳送方式：

每個字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送(從左到右)：最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)

Modbus RTU 通信工具設計

圖1：RTU 模式位序列 

 

設備配置為奇校驗、偶校驗或無校驗都可以接受。如果無奇偶校驗，將傳送一個附加的停止位以填充字符幀：

Modbus RTU 通信工具設計

圖2：RTU 模式位序列 (無校驗的特殊情況)

 

幀檢驗域：循環(huán)冗余校驗 (CRC)

在RTU 模式包含一個對全部報文內容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的錯誤檢驗域。

CRC 域檢驗整個報文的內容。不管報文有無奇偶校驗，均執(zhí)行此檢驗。

CRC 包含由兩個8位字節(jié)組成的一個16位值。  

CRC 域作為報文的最后的域附加在報文之后。計算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。CRC 高字節(jié)為報文發(fā)送的最后一個子節(jié)。

附加在報文后面的CRC 的值由發(fā)送設備計算。接收設備在接收報文時重新計算 CRC 的值，并將計算結果于實際接收到的CRC 值相比較。如果兩個值不相等，則為錯誤。

CRC 的計算，開始對一個16位寄存器預裝全1。 然后將報文中的連續(xù)的8位子節(jié)對其進行后續(xù)的計算。只有字符中的8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC 的運算，起始位，停止位和校驗位不參與 CRC 計算。

CRC 的生成過程中， 每個 8–位字符與寄存器中的值異或。然后結果向最低有效位(LSB)方向移動(Shift) 1位，而最高有效位(MSB)位置充零。 然后提取并檢查 LSB：如果LSB 為1， 則寄存器中的值與一個固定的預置值異或；如果LSB 為 0， 則不進行異或操作。

這個過程將重復直到執(zhí)行完8次移位。完成最后一次（第8次）移位及相關操作后，下一個8位字節(jié)與寄存器的當前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復8次。當所有報文中子節(jié)都運算之后得到的寄存器中的最終值，就是CRC。

當CRC 附加在報文之后時，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。

CRC 算法如下：

  1. private bool CheckResponse(byte[] response) 
  2. { 
  3.     //Perform a basic CRC check: 
  4.     byte[] CRC = new byte[2]; 
  5.     GetCRC(response, ref CRC); 
  6.     if (CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1] == response[response.Length - 1]) 
  7.     return true; 
  8.     else 
  9.     return false; 
  10. } 
  11.  
  12. private void GetCRC(byte[] message, ref byte[] CRC) 
  13. { 
  14.     //Function expects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to  
  15.     //return the CRC values: 
  16.  
  17.     ushort CRCFull = 0xFFFF; 
  18.     byte CRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF; 
  19.     char CRCLSB; 
  20.  
  21.     for (int i = 0; i < (message.Length) - 2; i++) 
  22.     { 
  23.     CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]); 
  24.  
  25.     for (int j = 0; j < 8; j++) 
  26.     { 
  27.         CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001); 
  28.         CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1) & 0x7FFF); 
  29.  
  30.         if (CRCLSB == 1) 
  31.         CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001); 
  32.     } 
  33.     } 
  34.     CRC[1] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF); 
  35.     CRC[0] = CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF); 
  36. } 

 

幀描述 (如下圖所示) ：

Modbus RTU 通信工具設計

圖3：RTU 報文幀

注意：Modbus  RTU 幀最大為256字節(jié)。

 

下面是我為公司設計的一個 Modbus RTU 通信測試小工具，界面截圖如下：

Modbus RTU 通信工具設計

圖4：Modbus RTU 通信工具

 

我的通用Modbus RTU 動態(tài)庫，modbus.cs 如下：

  1. modbus.cs 
  2.  
  3. using System; 
  4. using System.Collections.Generic; 
  5. using System.Text; 
  6. using System.IO.Ports; 
  7. using System.Threading; 
  8.  
  9. namespace SerialPort_Lib 
  10. { 
  11.     public class modbus 
  12.     { 
  13.         private SerialPort sp = new SerialPort(); 
  14.         public string modbusStatus; 
  15.  
  16.         #region Constructor / Deconstructor 
  17.         public modbus() 
  18.         { 
  19.         } 
  20.         ~modbus() 
  21.         { 
  22.         } 
  23.         #endregion 
  24.  
  25.         #region Open / Close Procedures 
  26.         public bool Open(string portName, int baudRate, int databits, Parity parity, StopBits stopBits) 
  27.         { 
  28.             //Ensure port isn't already opened: 
  29.             if (!sp.IsOpen) 
  30.             { 
  31.                 //Assign desired settings to the serial port: 
  32.                 sp.PortName = portName; 
  33.                 sp.BaudRate = baudRate; 
  34.                 sp.DataBits = databits; 
  35.                 sp.Parity = parity; 
  36.                 sp.StopBits = stopBits; 
  37.                 //These timeouts are default and cannot be editted through the class at this point: 
  38.                 sp.ReadTimeout = -1; 
  39.                 sp.WriteTimeout = 10000; 
  40.  
  41.                 try 
  42.                 { 
  43.                     sp.Open(); 
  44.                 } 
  45.                 catch (Exception err) 
  46.                 { 
  47.                     modbusStatus = "Error opening " + portName + ": " + err.Message; 
  48.                     return false; 
  49.                 } 
  50.                 modbusStatus = portName + " opened successfully"; 
  51.                 return true; 
  52.             } 
  53.             else 
  54.             { 
  55.                 modbusStatus = portName + " already opened"; 
  56.                 return false; 
  57.             } 
  58.         } 
  59.         public bool Close() 
  60.         { 
  61.             //Ensure port is opened before attempting to close: 
  62.             if (sp.IsOpen) 
  63.             { 
  64.                 try 
  65.                 { 
  66.                     sp.Close(); 
  67.                 } 
  68.                 catch (Exception err) 
  69.                 { 
  70.                     modbusStatus = "Error closing " + sp.PortName + ": " + err.Message; 
  71.                     return false; 
  72.                 } 
  73.                 modbusStatus = sp.PortName + " closed successfully"; 
  74.                 return true; 
  75.             } 
  76.             else 
  77.             { 
  78.                 modbusStatus = sp.PortName + " is not open"; 
  79.                 return false; 
  80.             } 
  81.         } 
  82.         #endregion 
  83.  
  84.         #region CRC Computation 
  85.         private void GetCRC(byte[] message, ref byte[] CRC) 
  86.         { 
  87.             //Function expects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to  
  88.             //return the CRC values: 
  89.  
  90.             ushort CRCFull = 0xFFFF; 
  91.             byte CRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF; 
  92.             char CRCLSB; 
  93.  
  94.             for (int i = 0; i < (message.Length) - 2; i++) 
  95.             { 
  96.                 CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]); 
  97.  
  98.                 for (int j = 0; j < 8; j++) 
  99.                 { 
  100.                     CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001); 
  101.                     CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1) & 0x7FFF); 
  102.  
  103.                     if (CRCLSB == 1) 
  104.                         CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001); 
  105.                 } 
  106.             } 
  107.             CRC[1] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF); 
  108.             CRC[0] = CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF); 
  109.         } 
  110.         #endregion 
  111.  
  112.         #region Build Message 
  113.         private void BuildMessage(byte address, byte type, ushort start, ushort registers, ref byte[] message) 
  114.         { 
  115.             //Array to receive CRC bytes: 
  116.             byte[] CRC = new byte[2]; 
  117.  
  118.             message[0] = address; 
  119.             message[1] = type; 
  120.             message[2] = (byte)(start >> 8); 
  121.             message[3] = (byte)start; 
  122.             message[4] = (byte)(registers >> 8); 
  123.             message[5] = (byte)registers; 
  124.  
  125.             GetCRC(message, ref CRC); 
  126.             message[message.Length - 2] = CRC[0]; 
  127.             message[message.Length - 1] = CRC[1]; 
  128.         } 
  129.         #endregion 
  130.  
  131.         #region Check Response 
  132.         private bool CheckResponse(byte[] response) 
  133.         { 
  134.             //Perform a basic CRC check: 
  135.             byte[] CRC = new byte[2]; 
  136.             GetCRC(response, ref CRC); 
  137.             if (CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1] == response[response.Length - 1]) 
  138.                 return true; 
  139.             else 
  140.                 return false; 
  141.         } 
  142.         #endregion 
  143.  
  144.         #region Get Response 
  145.         private void GetResponse(ref byte[] response) 
  146.         { 
  147.             //There is a bug in .Net 2.0 DataReceived Event that prevents people from using this 
  148.             //event as an interrupt to handle data (it doesn't fire all of the time).  Therefore 
  149.             //we have to use the ReadByte command for a fixed length as it's been shown to be reliable. 
  150.             for (int i = 0; i < response.Length; i++) 
  151.             { 
  152.                 response[i] = (byte)(sp.ReadByte()); 
  153.             } 
  154.         } 
  155.         #endregion 
  156.  
  157.         #region GetModbusData 獲得接收數(shù)據(jù) 
  158.         public bool GetModbusData(ref byte[] values) 
  159.         { 
  160.             //Ensure port is open: 
  161.             if (sp.IsOpen) 
  162.             { 
  163.                 // 等待線程進入  
  164.                 //Monitor.Enter(sp); 
  165.  
  166.                 //Clear in/out buffers: 
  167.                 //sp.DiscardOutBuffer(); 
  168.                 //sp.DiscardInBuffer(); 
  169.  
  170.                 //Message is 1 addr + 1 type + N Data + 2 CRC 
  171.                      
  172.                 try 
  173.                 { 
  174.                     //GetResponse(ref readBuffer); 
  175.                     //string str = readBuffer.ToString(); 
  176.  
  177.                     int count = sp.BytesToRead; 
  178.                     if (count > 0) 
  179.                     { 
  180.                         byte[] readBuffer = new byte[count]; 
  181.  
  182.                         GetResponse(ref readBuffer); 
  183.  
  184.                         //   readData = new byte[29]; 
  185.                         //   Array.Copy(readBuffer, readData, readData.Length); 
  186.  
  187.                         // CRC 驗證 
  188.                         if (CheckResponse(readBuffer)) 
  189.                         { 
  190.                             //顯示輸入數(shù)據(jù) 
  191.                             values = readBuffer; 
  192.  
  193.                             modbusStatus = "Write successful"; 
  194.  
  195.                             sp.DiscardInBuffer(); 
  196.  
  197.                             //values = System.Text.Encoding.ASCII.GetString(readData); 
  198.                             return true; 
  199.                         } 
  200.                         else 
  201.                         { 
  202.                             modbusStatus = "CRC error"; 
  203.  
  204.                             sp.DiscardInBuffer(); 
  205.  
  206.                             return false; 
  207.                         } 
  208.                     } 
  209.                     else return false; 
  210.                 } 
  211.                 catch (Exception err) 
  212.                 { 
  213.                     modbusStatus = "Error in write event: " + err.Message; 
  214.  
  215.                     sp.DiscardInBuffer(); 
  216.  
  217.                     return false; 
  218.                 } 
  219.  
  220.                 //finally 
  221.                 //{ 
  222.                     // 通知其它對象 
  223.                     //Monitor.Pulse(sp); 
  224.                     // 釋放對象鎖  
  225.                     //Monitor.Exit(sp); 
  226.                 //} 
  227.             } 
  228.             else 
  229.             { 
  230.                 modbusStatus = "Serial port not open"; 
  231.                 return false; 
  232.             } 
  233.         } 
  234.         #endregion 
  235.  
  236.         #region SendModbusData 打包發(fā)送數(shù)據(jù) 
  237.         public bool SendModbusData(ref byte[] values) 
  238.         { 
  239.             //Ensure port is open: 
  240.             if (sp.IsOpen) 
  241.             { 
  242.                 //Clear in/out buffers: 
  243.                 sp.DiscardOutBuffer(); 
  244.                 sp.DiscardInBuffer(); 
  245.  
  246.                 //Function 3 response buffer: 
  247.                 byte[] response = new byte[values.Length + 2]; 
  248.                 Array.Copy(values, response, values.Length); 
  249.  
  250.                 //BuildMessage(address, (byte)3, start, registers, ref message); 
  251.  
  252.                 //打包帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)包: 
  253.                 byte[] CRC = new byte[2]; 
  254.                 GetCRC(response, ref CRC); 
  255.                 response[response.Length - 2] = CRC[0]; 
  256.                 response[response.Length - 1] = CRC[1]; 
  257.  
  258.                 values = response; //返回帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)包 
  259.  
  260.                 //Send modbus message to Serial Port: 
  261.                 try 
  262.                 { 
  263.                     sp.Write(response, 0, response.Length); 
  264.                     //GetResponse(ref response); 
  265.                     return true; 
  266.                 } 
  267.                 catch (Exception err) 
  268.                 { 
  269.                     modbusStatus = "Error in read event: " + err.Message; 
  270.                     return false; 
  271.                 } 
  272.                 //Evaluate message: 
  273.                 //if (CheckResponse(response)) 
  274.                 //{ 
  275.                 //    //Return requested register values: 
  276.                 //    for (int i = 0; i < (response.Length - 5) / 2; i++) 
  277.                 //    { 
  278.                 //        values[i] = response[2 * i + 3]; 
  279.                 //        values[i] <<= 8; 
  280.                 //        values[i] += response[2 * i + 4]; 
  281.                 //    } 
  282.                 //    modbusStatus = "Read successful"; 
  283.                 //    return true; 
  284.                 //} 
  285.                 //else 
  286.                 //{ 
  287.                 //    modbusStatus = "CRC error"; 
  288.                 //    return false; 
  289.                 //} 
  290.             } 
  291.             else 
  292.             { 
  293.                 modbusStatus = "Serial port not open"; 
  294.                 return false; 
  295.             } 
  296.  
  297.         } 
  298.         #endregion 
  299.  
  300.     } 
  301. } 

 

調用的主要代碼如下：

  1. modbus類的winform調用代碼 
  2.  
  3. public partial class FormConfig : Form,IModbusData 
  4. { 
  5.     //業(yè)務處理類 
  6.     B_ModbusData ModbusDataBLL = new B_ModbusData(); 
  7.  
  8.     modbus mb = new modbus(); 
  9.     //SerialPort sp = new SerialPort(); 
  10.     System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer(); 
  11.  
  12.     public FormConfig() 
  13.     { 
  14.         InitializeComponent(); 
  15.         
  16.         timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(timer_Elapsed); 
  17.     } 
  18.  
  19.     #region Timer Elapsed 事件處理程序 
  20.     bool runEnd = true; 
  21.     void timer_Elapsed(object sender, ElapsedEventArgs e) 
  22.     { 
  23.         if (runEnd == true) 
  24.         { 
  25.             runEnd = false; 
  26.             PollFunction(); 
  27.             runEnd = true; 
  28.         } 
  29.     } 
  30.  
  31.     //定時器調用方法 
  32.     private void PollFunction() 
  33.     { 
  34.         byte[] values = null; 
  35.         try 
  36.         { 
  37.             mb.GetModbusData(ref values); 
  38.             //while (!mb.SendFc3(Convert.ToByte(txtSlaveID.Text), pollStart, pollLength, ref values)) ; 
  39.         } 
  40.         catch (Exception err) 
  41.         { 
  42.             DoGUIStatus("Error in modbus read: " + err.Message); 
  43.         } 
  44.  
  45.         if (values != null) 
  46.         { 
  47.             //業(yè)務處理 
  48.             byte[] sendData = ModbusDataProcess(values); 
  49.         } 
  50.     } 
  51.     #endregion 
  52.  
  53.     #region IModbusData 接口成員處理 
  54.     public byte[] ModbusDataProcess(byte[] _data) 
  55.     { 
  56.        byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(_data); 
  57.  
  58.        // CRC驗證，并打包發(fā)送數(shù)據(jù)。 
  59.        mb.SendModbusData(ref sendData); 
  60.  
  61.        return sendData; 
  62.     } 
  63.     #endregion 
  64. } 

 

其實，三步就能成功調用：

  1. modbus mb = new modbus(); 
  2. mb.GetModbusData(ref values); // 從串口設備獲得數(shù)據(jù)。 
  3. byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(values); // 你的業(yè)務處理，并產(chǎn)生最終返回數(shù)據(jù)。 
  4. mb.SendModbusData(ref sendData); // CRC驗證，并打包發(fā)送數(shù)據(jù)。 


主要代碼已全部提供，由于工作原因暫不提供完整工具源代碼，見諒！

（完）

 
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