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Modbus RTU 通信工具设计

发布时间:2020-06-18 05:02:04 阅读:3994 作者:guangrou 栏目:编程语言
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Modbus 是一个工业上常用的通讯协议、一种通讯约定。

ModBus 协议是应用层报文传输协议(OSI 模型第7层),它定义了一个与通信层无关的协议数据单元(PDU),即PDU=功能码+数据域。
ModBus 协议能够应用在不同类型的总线或网络。对应不同的总线或网络,Modbus 协议引入一些附加域映射成应用数据单元(ADU),即ADU=附加域+PDU。目前,Modbus 有下列三种通信方式:
1. 以太网,对应的通信模式是Modbus TCP。
2. 异步串行传输(各种介质如有线RS-232-/422/485/;光纤、无线等),对应的通信模式是 Modbus RTU 或 Modbus ASCII。Modbus 的ASCII、RTU 协议规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式,数据通讯采用Maser/Slave方式。
3. 高速令牌传递网络,对应的通信模式是Modbus PLUS。

 

Modbus 需要对数据进行校验,串行协议中除有奇偶校验外,ASCII 模式采用LRC 校验;RTU 模式采用16位CRC 校验;TCP 模式没有额外规定校验,因为TCP 是一个面向连接的可靠协议。

 

Modbus 协议的应用中,最常用的是Modbus RTU 传输模式。

 

RTU 传输模式 

当设备使用RTU (Remote Terminal Unit) 模式在 Modbus  串行链路通信, 报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度,在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。 

 

RTU 模式每个字节 ( 11 位 ) 的格式为:

       编码系统:  8位二进制。 报文中每个8位的字节含有两个4位十六进制字符(0–9, A–F)

  Bits per Byte:  1 起始位

                   8 数据位, 首先发送最低有效位

                   1 位作为奇偶校验

                   1 停止位

偶校验是要求的,其它模式 ( 奇校验, 无校验 ) 也可以使用。为了保证与其它产品的最大兼容性,同时支持无校验模式是建议的。默认校验模式模式 必须为偶校验。注:使用无校验要求2 个停止位。 

 

字符的串行传送方式:

每个字符或字节均由此顺序发送(从左到右):最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)

Modbus RTU 通信工具设计

图1:RTU 模式位序列 

 

设备配置为奇校验、偶校验或无校验都可以接受。如果无奇偶校验,将传送一个附加的停止位以填充字符帧:

Modbus RTU 通信工具设计

图2:RTU 模式位序列 (无校验的特殊情况)

 

帧检验域:循环冗余校验 (CRC)

在RTU 模式包含一个对全部报文内容执行的,基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的错误检验域。

CRC 域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验,均执行此检验。

CRC 包含由两个8位字节组成的一个16位值。  

CRC 域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后,首先附加低字节,然后是高字节。CRC 高字节为报文发送的最后一个子节。

附加在报文后面的CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算 CRC 的值,并将计算结果于实际接收到的CRC 值相比较。如果两个值不相等,则为错误。

CRC 的计算,开始对一个16位寄存器预装全1。 然后将报文中的连续的8位子节对其进行后续的计算。只有字符中的8个数据位参与生成CRC 的运算,起始位,停止位和校验位不参与 CRC 计算。

CRC 的生成过程中, 每个 8–位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向移动(Shift) 1位,而最高有效位(MSB)位置充零。 然后提取并检查 LSB:如果LSB 为1, 则寄存器中的值与一个固定的预置值异或;如果LSB 为 0, 则不进行异或操作。

这个过程将重复直到执行完8次移位。完成最后一次(第8次)移位及相关操作后,下一个8位字节与寄存器的当前值异或,然后又同上面描述过的一样重复8次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存器中的最终值,就是CRC

当CRC 附加在报文之后时,首先附加低字节,然后是高字节。

CRC 算法如下:

private bool CheckResponse(byte[] response) {     //Perform a basic CRC check:     byte[] CRC = new byte[2];     GetCRC(response, ref CRC);     if (CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1] == response[response.Length - 1])     return true;     else     return false; }  private void GetCRC(byte[] message, ref byte[] CRC) {     //Function expects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to      //return the CRC values:      ushort CRCFull = 0xFFFF;     byte CRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF;     char CRCLSB;      for (int i = 0; i < (message.Length) - 2; i++)     {     CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]);      for (int j = 0; j < 8; j++)     {         CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001);         CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1) & 0x7FFF);          if (CRCLSB == 1)         CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001);     }     }     CRC[1] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF);     CRC[0] = CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF); } 

 

帧描述 (如下图所示) :

Modbus RTU 通信工具设计

图3:RTU 报文帧

注意:Modbus  RTU 帧最大为256字节。

 

下面是我为公司设计的一个 Modbus RTU 通信测试小工具,界面截图如下:

Modbus RTU 通信工具设计

图4:Modbus RTU 通信工具

 

我的通用Modbus RTU 动态库,modbus.cs 如下:

modbus.cs  using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; using System.IO.Ports; using System.Threading;  namespace SerialPort_Lib {     public class modbus     {         private SerialPort sp = new SerialPort();         public string modbusStatus;          #region Constructor / Deconstructor         public modbus()         {         }         ~modbus()         {         }         #endregion          #region Open / Close Procedures         public bool Open(string portName, int baudRate, int databits, Parity parity, StopBits stopBits)         {             //Ensure port isn't already opened:             if (!sp.IsOpen)             {                 //Assign desired settings to the serial port:                 sp.PortName = portName;                 sp.BaudRate = baudRate;                 sp.DataBits = databits;                 sp.Parity = parity;                 sp.StopBits = stopBits;                 //These timeouts are default and cannot be editted through the class at this point:                 sp.ReadTimeout = -1;                 sp.WriteTimeout = 10000;                  try                 {                     sp.Open();                 }                 catch (Exception err)                 {                     modbusStatus = "Error opening " + portName + ": " + err.Message;                     return false;                 }                 modbusStatus = portName + " opened successfully";                 return true;             }             else             {                 modbusStatus = portName + " already opened";                 return false;             }         }         public bool Close()         {             //Ensure port is opened before attempting to close:             if (sp.IsOpen)             {                 try                 {                     sp.Close();                 }                 catch (Exception err)                 {                     modbusStatus = "Error closing " + sp.PortName + ": " + err.Message;                     return false;                 }                 modbusStatus = sp.PortName + " closed successfully";                 return true;             }             else             {                 modbusStatus = sp.PortName + " is not open";                 return false;             }         }         #endregion          #region CRC Computation         private void GetCRC(byte[] message, ref byte[] CRC)         {             //Function expects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to              //return the CRC values:              ushort CRCFull = 0xFFFF;             byte CRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF;             char CRCLSB;              for (int i = 0; i < (message.Length) - 2; i++)             {                 CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]);                  for (int j = 0; j < 8; j++)                 {                     CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001);                     CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1) & 0x7FFF);                      if (CRCLSB == 1)                         CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001);                 }             }             CRC[1] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF);             CRC[0] = CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF);         }         #endregion          #region Build Message         private void BuildMessage(byte address, byte type, ushort start, ushort registers, ref byte[] message)         {             //Array to receive CRC bytes:             byte[] CRC = new byte[2];              message[0] = address;             message[1] = type;             message[2] = (byte)(start >> 8);             message[3] = (byte)start;             message[4] = (byte)(registers >> 8);             message[5] = (byte)registers;              GetCRC(message, ref CRC);             message[message.Length - 2] = CRC[0];             message[message.Length - 1] = CRC[1];         }         #endregion          #region Check Response         private bool CheckResponse(byte[] response)         {             //Perform a basic CRC check:             byte[] CRC = new byte[2];             GetCRC(response, ref CRC);             if (CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1] == response[response.Length - 1])                 return true;             else                 return false;         }         #endregion          #region Get Response         private void GetResponse(ref byte[] response)         {             //There is a bug in .Net 2.0 DataReceived Event that prevents people from using this             //event as an interrupt to handle data (it doesn't fire all of the time).  Therefore             //we have to use the ReadByte command for a fixed length as it's been shown to be reliable.             for (int i = 0; i < response.Length; i++)             {                 response[i] = (byte)(sp.ReadByte());             }         }         #endregion          #region GetModbusData 获得接收数据         public bool GetModbusData(ref byte[] values)         {             //Ensure port is open:             if (sp.IsOpen)             {                 // 等待线程进入                  //Monitor.Enter(sp);                  //Clear in/out buffers:                 //sp.DiscardOutBuffer();                 //sp.DiscardInBuffer();                  //Message is 1 addr + 1 type + N Data + 2 CRC                                      try                 {                     //GetResponse(ref readBuffer);                     //string str = readBuffer.ToString();                      int count = sp.BytesToRead;                     if (count > 0)                     {                         byte[] readBuffer = new byte[count];                          GetResponse(ref readBuffer);                          //   readData = new byte[29];                         //   Array.Copy(readBuffer, readData, readData.Length);                          // CRC 验证                         if (CheckResponse(readBuffer))                         {                             //显示输入数据                             values = readBuffer;                              modbusStatus = "Write successful";                              sp.DiscardInBuffer();                              //values = System.Text.Encoding.ASCII.GetString(readData);                             return true;                         }                         else                         {                             modbusStatus = "CRC error";                              sp.DiscardInBuffer();                              return false;                         }                     }                     else return false;                 }                 catch (Exception err)                 {                     modbusStatus = "Error in write event: " + err.Message;                      sp.DiscardInBuffer();                      return false;                 }                  //finally                 //{                     // 通知其它对象                     //Monitor.Pulse(sp);                     // 释放对象锁                      //Monitor.Exit(sp);                 //}             }             else             {                 modbusStatus = "Serial port not open";                 return false;             }         }         #endregion          #region SendModbusData 打包发送数据         public bool SendModbusData(ref byte[] values)         {             //Ensure port is open:             if (sp.IsOpen)             {                 //Clear in/out buffers:                 sp.DiscardOutBuffer();                 sp.DiscardInBuffer();                  //Function 3 response buffer:                 byte[] response = new byte[values.Length + 2];                 Array.Copy(values, response, values.Length);                  //BuildMessage(address, (byte)3start, registers, ref message);                  //打包带有 CRC 验证的modbus 数据包:                 byte[] CRC = new byte[2];                 GetCRC(response, ref CRC);                 response[response.Length - 2] = CRC[0];                 response[response.Length - 1] = CRC[1];                  values = response; //返回带有 CRC 验证的modbus 数据包                  //Send modbus message to Serial Port:                 try                 {                     sp.Write(response, 0, response.Length);                     //GetResponse(ref response);                     return true;                 }                 catch (Exception err)                 {                     modbusStatus = "Error in read event: " + err.Message;                     return false;                 }                 //Evaluate message:                 //if (CheckResponse(response))                 //{                 //    //Return requested register values:                 //    for (int i = 0; i < (response.Length - 5) / 2; i++)                 //    {                 //        values[i] = response[2 * i + 3];                 //        values[i] <<= 8;                 //        values[i] += response[2 * i + 4];                 //    }                 //    modbusStatus = "Read successful";                 //    return true;                 //}                 //else                 //{                 //    modbusStatus = "CRC error";                 //    return false;                 //}             }             else             {                 modbusStatus = "Serial port not open";                 return false;             }          }         #endregion      } } 

调用的主要代码如下:

modbus类的winform调用代码  public partial class FormConfig : Form,IModbusData {     //业务处理类     B_ModbusData ModbusDataBLL = new B_ModbusData();      modbus mb = new modbus();     //SerialPort sp = new SerialPort();     System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer();      public FormConfig()     {         InitializeComponent();                 timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(timer_Elapsed);     }      #region Timer Elapsed 事件处理程序     bool runEnd = true;     void timer_Elapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)     {         if (runEnd == true)         {             runEnd = false;             PollFunction();             runEnd = true;         }     }      //定时器调用方法     private void PollFunction()     {         byte[] values = null;         try         {             mb.GetModbusData(ref values);             //while (!mb.SendFc3(Convert.ToByte(txtSlaveID.Text), pollStart, pollLength, ref values)) ;         }         catch (Exception err)         {             DoGUIStatus("Error in modbus read: " + err.Message);         }          if (values != null)         {             //业务处理             byte[] sendData = ModbusDataProcess(values);         }     }     #endregion      #region IModbusData 接口成员处理     public byte[] ModbusDataProcess(byte[] _data)     {        byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(_data);         // CRC验证,并打包发送数据。        mb.SendModbusData(ref sendData);         return sendData;     }     #endregion } 

其实,三步就能成功调用:

modbus mb = new modbus(); mb.GetModbusData(ref values); // 从串口设备获得数据。 byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(values); // 你的业务处理,并产生最终返回数据。 mb.SendModbusData(ref sendData); // CRC验证,并打包发送数据。 


主要代码已全部提供,由于工作原因暂不提供完整工具源代码,见谅!

(完)

 

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