Modbus RTU 通信工具设计

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)

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:

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[];
GetCRC(response, ref CRC);
if (CRC[] == response[response.Length - ] && CRC[] == response[response.Length - ])
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 = ; i < (message.Length) - ; i++)
{
CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]); for (int j = ; j < ; j++)
{
CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001);
CRCFull = (ushort)((CRCFull >> ) & 0x7FFF); if (CRCLSB == )
CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001);
}
}
CRC[] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> ) & 0xFF);
CRC[] = CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF);
}

帧描述 (如下图所示) :

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:

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 = -;
sp.WriteTimeout = ; 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 = ; i < (message.Length) - ; i++)
{
CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ message[i]); for (int j = ; j < ; j++)
{
CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001);
CRCFull = (ushort)((CRCFull >> ) & 0x7FFF); if (CRCLSB == )
CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001);
}
}
CRC[] = CRCHigh = (byte)((CRCFull >> ) & 0xFF);
CRC[] = 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[]; message[] = address;
message[] = type;
message[] = (byte)(start >> );
message[] = (byte)start;
message[] = (byte)(registers >> );
message[] = (byte)registers; GetCRC(message, ref CRC);
message[message.Length - ] = CRC[];
message[message.Length - ] = CRC[];
}
#endregion #region Check Response
private bool CheckResponse(byte[] response)
{
//Perform a basic CRC check:
byte[] CRC = new byte[];
GetCRC(response, ref CRC);
if (CRC[] == response[response.Length - ] && CRC[] == response[response.Length - ])
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 = ; 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 > )
{
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 + ];
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[];
GetCRC(response, ref CRC);
response[response.Length - ] = CRC[];
response[response.Length - ] = CRC[]; values = response; //返回带有 CRC 验证的modbus 数据包 //Send modbus message to Serial Port:
try
{
sp.Write(response, , 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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