Modbus RTU 通信工具设计

发布时间：2020-06-18 05:02:04 作者：guangrou
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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)3, start, 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）

Modbus RTU 通信工具设计

RTU 传输模式

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