modbus串口通讯C#

简介

公司给的一个小任务，这篇文章进行详细讲解

题目： modbus串口通讯

主要内容如下：

1、实现使用modbus通讯规约的测试软件；

2、具有通信超时功能；

3、分主站从站，并能编辑报文、生成报文等；

4、计算发送报文次数，接收报文次数，失败通信次数；

5、对接收的数据进行解析。

下面图片可以看出具体的内容：

知识点讲解

该小软件使用的知识如下：

1、modbus通信规约；

2、串口通讯；

3、定时器；

4、多线程；

1、modbus通讯规约

modbus是一个工业上常用的通讯协议，一个通讯约定，包括RTU,ASCII，TCP。该软件使用的RTU。

主站设备查询：

查询消肿的功能号告知被选中的设备要执行何种功能。数据段包括了从站设备要执行的功能的任何附加信息。

从站设备回应：

当从站设备正常回应后，在回应数据里也包括这功能号，并直接截取从站设备收集的数据。如果发生错误，功能号将被修改为用于指出回应消息为错误消息。并在数据段包括该描述的错误信息。错误校测域允许主设备确认消息的内容是否可用，是否正确。

下面的图片解释了modbus的规约的组成：

mobus通讯规约是由从机地址+功能号+数据地址+数据+CRC校验。

从机地址：该规约是单主站/多从站，主站轮询向从站请求的方式进行传输数据，并使用从机地址的方式区分从机。

功能号： 某指令是干啥，一目了然。接收方将通过功能号进行相应的执行功能。

下面为常用功能号：

数据地址：意思是数据存储的地址，从该存储的地址的获取数据。

CRC校验：循环冗余校验码，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

对于校验，网上资料很多，这里直接上代码：

    #region  CRC16
    public static byte[] CRC16(byte[] data)
    {
        int len = data.Length;
        if (len > 0)
        {
            ushort crc = 0xFFFF;

            for (int i = 0; i < len; i++)
            {
                crc = (ushort)(crc ^ (data[i]));
                for (int j = 0; j < 8; j++)
                {
                    crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ 0xA001) : (ushort)(crc >> 1);
                }
            }
            byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
            byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

            return new byte[] { hi, lo };
        }
        return new byte[] { 0, 0 };
    }
    #endregion

串口通讯

在C#中实现串口通讯，由于C#微软封装的很好，提供了SerialPort类，命名空间为system.IO.Ports.

---

下面解释serialPort类编程中常用到的关键字和方法：

常用字段：

PortName 获取或设置通信端口

BaudRate 获取或设置串行波特率

DataBits 获取或设置每个字节的标准数据位长度

Parity 获取或设置奇偶校验检查协议

StopBits 获取或设置每个字节的标准停止位数

常用方法：

Close 关闭端口连接，将IsOpen 属性设置为false，并释放内部 Stream 对象

GetPortNames 获取当前计算机的串行端口名称数组

Open 打开一个新的串行端口连接

Read 从 SerialPort 输入缓冲区中读取

Write 将数据写入串行端口输出缓冲区

---

串口通信简介

串口是一种可以接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件，也就是说硬件称为串行接口电路。

串口通讯重要的参数有波特率，数据位，停止位，奇偶校验。

1、波特率，这是一个衡量符号传输速率的参数，指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数，如每秒钟传960个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位）这是波特率为960Bd,比特率就是9600bps，

2、数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数，当计算机发送一个信息包，实际的数据往往不会是8位，标准的是6、7和8位，标准的ASCII码是0_{127（7位），扩展的ASCII码是0}255（8位），

3、停止位：用于表示单个包的最后几位，典型的值为1，1.5和2位。作用就是数据在传输线上定时的，并且每一个有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备出现不同步的情况，停止位可以解决这个问题，它不仅表示传输结束，还可以提供计算机矫正同步时钟的机会。

4、校验位：在串口通信中一种简单的检错方式，有四种检错方式：奇，偶，高、低。

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下面是我写的串口通讯的代码：

1、加载串口配置

   #region 加载串口配置   

    public bool LoadSerialConfig(string com, string BAUDRATE, string DATABITS, string STOP, string PARITY)
    {
        if (!sp1.IsOpen)   //没打开
        {
            try
            {
                //设置串口号
                string serialName = com;
                sp1.PortName = serialName;

                //设置各“串口设置”
                string strBaudRate = BAUDRATE;
                string strDateBits = DATABITS;
                string strStopBits = STOP;
                Int32 iBaudRate = Convert.ToInt32(strBaudRate);
                Int32 iDateBits = Convert.ToInt32(strDateBits);

                sp1.BaudRate = iBaudRate;       //波特率
                sp1.DataBits = iDateBits;       //数据位
                switch (STOP)            //停止位
                {
                    case "1":
                        sp1.StopBits = StopBits.One;
                        break;
                    case "1.5":
                        sp1.StopBits = StopBits.OnePointFive;
                        break;
                    case "2":
                        sp1.StopBits = StopBits.Two;
                        break;
                    default:
                        //MessageBox.Show("Error：参数不正确!", "Error");
                        break;
                }

                switch (PARITY)             //校验位
                {
                    case "NONE":
                        sp1.Parity = Parity.None;
                        break;
                    case "奇校验":
                        sp1.Parity = Parity.Odd;
                        break;
                    case "偶校验":
                        sp1.Parity = Parity.Even;
                        break;
                    default:
                        //MessageBox.Show("Error：参数不正确!", "Error");
                        break;
                }

                //如果打开状态，则先关闭一下
                if (sp1.IsOpen == true)
                {
                    sp1.Close();
                }
                sp1.Open();     //打开串口
                return true;
            }
            catch (System.Exception ex)
            {
                SetSerialOpenFlag(false);
                Form1.ShowThrow(ex);
                return false;
            }
        }
        else   //已经打开
        {
            return true;
        }
    }
    #endregion

2、处理数据的定时器，在定时器里面对接收到的数据进行压到队列里面，后期对队列进行再次的处理。

public void StartTimeOutTimer( UInt16 SendDataShowTimer,bool autoFlag)
{
//实例化Timer类，设置间隔时间为10000毫秒；
timeOutTimer = new System.Timers.Timer(SendDataShowTimer);
timeOutTimer.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler(EndTimeProcess);
timeOutTimer.AutoReset = autoFlag;//设置是执行一次（false）还是一直执行(rtue)；
timeOutTimer.Enabled = true;//是否执行System.Timers.Timer.Elapsed事件；
}

private void EndTimeProcess(Object sender, EventArgs e)
{
    if (GetSerialOpenFlag())
    {
    	recvBytesNum = (UInt16)sp1.BytesToRead;

    if (recvBytesNum == 0 && delayTime <= TimeOutFailMaxTime)
    {
        delayTime++;
        timeOutTimer.Start();    //定时器应该执行一次，然后在这从新开始，比如100毫秒后还未接收到数据，就记下数后重新开始定时器
    }
    else    //通过sp1.BytesToRead已经知道串口接收缓存区的大小，使用read函数直接取数，
    {
        if (sp1.BytesToRead > 0)    //有数据，下面接收数据并校验数据
        {
            //接收16进制
            try
            {
                lock (Recvlock)    //加锁
                {
                    Byte[] receiveddata = new Byte[sp1.BytesToRead];        //创接建收字节数组
                    sp1.Read(receiveddata, 0, receiveddata.Length);         //读取数据
                    sp1.DiscardInBuffer();                                  //清空SerialPort控件的Buffer
                    if (receiveddata.Length <= 0)
                        return;
                    DataProcessorQueue.Enqueue(receiveddata);
                }
                delayTime = 0;
                recvBytesNum = 0;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Form1.ShowThrow(ex);
                return;
            }
        }
        else        //超过多次定时都为串口缓冲区的数据都为空，则说明通讯超时
        {
            ConnectFailCount += 1;
        }
    }
}

}

   #region  串口数据接收
void sp1_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    if (GetSerialOpenFlag()) //此处可能没有必要判断是否打开串口，但为了严谨性，我还是加上了
    {
	    timeOutTimer.Stop();
	    timeOutTimer.Start();
    }
    else
    {
	    Form1.ShowThrow("串口没有成功打开");
	    return;
    }
}
#endregion

在这里讲解一下为什么需要用到定时器？

由于要实现通讯超时功能，所以我这里使用定时器的方式，开始接收到数据后开始定时，直到我的数据在定时间内发送过来，我设定了小于3次的定时，如果3次定时都还没有将数据传输完毕，则认为数据传输完毕。

3、发送数据

public void SendTextdelegate(byte[] buf)
    {
        SetSendText( buf);
        StartSendThread();
    }
    public void SetSendText(byte[] buf)
    {
        strSend = System.Text.Encoding.Default.GetString(buf);
    }

为了自己封装一个类，并与UI进行分离，我使用的是C#常用的委托方式，从Form类中传入数据，

定时器

先上代码

public System.Timers.Timer timeOutTimer;    //定义定时器

public void StartDataProcessorTimer( bool autoFlag)
    {
        //实例化Timer类，设置间隔时间为10000毫秒；
        timeOutTimer = new System.Timers.Timer(DataProcessorTimer);
        timeOutTimer.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler(DataProcess);
        timeOutTimer.AutoReset = autoFlag;//设置是执行一次（false）还是一直执行(true)；
        timeOutTimer.Enabled = true;//是否执行System.Timers.Timer.Elapsed事件；
    }

定时器是在通讯方面是经常使用到的，下面我讲解一下我这个小软件使用到定时器位置

1、超时通信功能

2、定时发送功能

3、接收功能

3、定时显示某些数据，比如发送次数，接收次数，失败通信次数等。

多线程

在定时器使用过程中，也会使用到线程。比如,有些地方为了与其他功能分离开来。

下面给出开启线程的代码

public void StartSendThread()
    {
        Thread SendThread = new Thread(SendMsg);
        SendThread.Start();
    }

软件思路

1、界面

由于需要做两个软件（主从站），我将两个软件融合在一起，使用选择站点的方式进行开启主站或者从站。 主站的界面和从站的界面很相似，为了让用户操作一致。

2、在上述给出了知识讲解中，基本包含了软件的设计思路，主从站之分在于报文拟制不同，串口发送过程相同，所使用的方式也相同，就不具体讨论，下面对重要设计思想进行描述。

（a）使用锁，由于某些数据需要进行同步，我选择的是加锁的方式。

给出一部分的代码如下：

lock (Recvlock)    //加锁
{
    Byte[] receiveddata = new Byte[sp1.BytesToRead];        //创接建收字节数组
    sp1.Read(receiveddata, 0, receiveddata.Length);         //读取数据
    sp1.DiscardInBuffer();                                  //清空SerialPort控件的Buffer
    if (receiveddata.Length <= 0)
        return;
    DataProcessorQueue.Enqueue(receiveddata);
}

实现数据同步的方式很多，数据同步，为了让多线程同时操作同一个缓存区时，能够保证数据一致性，

（b）队列，由于考虑到发送方发送数据过快时，我使用的是队列将接收的数据进行存储下来，然后再开启另外一个定时器和线程去队列取数，并将数据，分析，校验以及显示等等。这样的方式可以不用考虑对方何时发送，发送速度的问题，但有一个问题就是队列的大小有限制，我选择的队列是System.Collections.Generic.Queue，C#中队列很多，这种队列可以解决队列大小限制的问题。

（C）配置文件

为了让软件在初始化串口参数，我使用的是配置文件对串口参数进行设置。

下面为配置文件的代码：

private static IniFile _file;//内置了一个对象

public static void LoadProfile_Serial()
    {
        string strPath = AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory;
        _file = new IniFile(strPath + "Cfg.ini");
        G_BAUDRATE = _file.ReadString("CONFIG", "BaudRate", "4800");    //读数据，下同
        G_DATABITS = _file.ReadString("CONFIG", "DataBits", "8");
        G_STOP = _file.ReadString("CONFIG", "StopBits", "1");
        G_PARITY = _file.ReadString("CONFIG", "Parity", "NONE");

    }

（d）数据转换

下面对数据转换做一个总结：

做通讯软件，数据转换是必要的，在string，2进制，10进制，16进制，byte之间做转换。

1、string转byte[]

byte[] buf = BitConverter.GetBytes(short.Parse(str));

2、byte[]转string

System.Text.Encoding.Default.GetString(buf);

3、byte[]转16进制的string

public static string ByteToString(byte[] InBytes)
    {
        string StringOut = "";
        foreach (byte InByte in InBytes)
        {
            StringOut = StringOut + String.Format("{0:X2}", InByte) + " ";
        }
        return StringOut.Trim();
    }

4、int 转 string

str = i.ToString()

5、string转int

UInt16 i= UInt16.Parse(str)

总结

经过这个软件的练习，我对C#语言有一定的了解，需要多实践，多编程。

C#语言和C++语言还是有很多不一样的地方，C#没有指针，用的怪怪的，没有从地址角度去考虑数据，数据容易管理不好，个人觉得。

最后一点就是学到了很多东西，文章也慢慢开始写，需要多积累，多运用，才是属于自己的。