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Modbus RTU 通信工具設計

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絡。對應不同的總線或網絡，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，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 模式沒有額外規(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)

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：

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：

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);
}

幀描述 (如下圖所示) ：

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：

圖4：Modbus RTU 通信工具

我的通用Modbus RTU 動態(tài)庫，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 獲得接收數(shù)據(jù)
        public bool GetModbusData(ref byte[] values)
        {
            //Ensure port is open:
            if (sp.IsOpen)
            {
                // 等待線程進入 
                //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 驗證
                        if (CheckResponse(readBuffer))
                        {
                            //顯示輸入數(shù)據(jù)
                            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
                //{
                    // 通知其它對象
                    //Monitor.Pulse(sp);
                    // 釋放對象鎖 
                    //Monitor.Exit(sp);
                //}
            }
            else
            {
                modbusStatus = "Serial port not open";
                return false;
            }
        }
        #endregion

        #region SendModbusData 打包發(fā)送數(shù)據(jù)
        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);

                //打包帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)包:
                byte[] CRC = new byte[2];
                GetCRC(response, ref CRC);
                response[response.Length - 2] = CRC[0];
                response[response.Length - 1] = CRC[1];

                values = response; //返回帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)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

    }
}

調用的主要代碼如下：

modbus類的winform調用代碼

public partial class FormConfig : Form,IModbusData
{
    //業(yè)務處理類
    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 事件處理程序
    bool runEnd = true;
    void timer_Elapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)
    {
        if (runEnd == true)
        {
            runEnd = false;
            PollFunction();
            runEnd = true;
        }
    }

    //定時器調用方法
    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)
        {
            //業(yè)務處理
            byte[] sendData = ModbusDataProcess(values);
        }
    }
    #endregion

    #region IModbusData 接口成員處理
    public byte[] ModbusDataProcess(byte[] _data)
    {
       byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(_data);

       // CRC驗證，并打包發(fā)送數(shù)據(jù)。
       mb.SendModbusData(ref sendData);

       return sendData;
    }
    #endregion
}

其實，三步就能成功調用：

modbus mb = new modbus();
mb.GetModbusData(ref values); // 從串口設備獲得數(shù)據(jù)。
byte[] sendData = ModbusDataBLL.ModbusDataProcess(values); // 你的業(yè)務處理，并產生最終返回數(shù)據(jù)。
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）

posted on 2012-12-13 10:09 鋼鋼閱讀(21366) 評論(7) 收藏舉報

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