C#ModBus Tcp的学习及Master的实现

Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

所以这也是我们工控领域软件开发的所必懂的通讯协议,我也是初次学习,先贴上我的学习笔记

 

一 .协议概述

(1)Modbus协议是应用于控制器上的一种通用语言,实现控制器之间,控制器通过网络和其他设备之间的通信,支持传统RS232/RS422/RS485和以太网设备,它已经成为一种通用的工业标准,有了它不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中控制,此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构

(2) 如果按照国际 ISO/OSI 的 7 层网络模型来说，标准 MODBUS 协议定义了通信物理层、链路层及应用层；

物理层：定义了基于 RS232 和 RS485 的异步串行通信规范；

链路层：规定了基于站号识别、主 / 从方式的介质访问控制；

应用层：规定了信息规范（或报文格式）及通信服务功能；

 

二. 协议要点

(1) MODBUS 是主 / 从通信协议。主站主动发送报文 , 只有与主站发送报文中呼叫地址相同的从站才向主站发送回答报文。

(2) 报文以 0 地址发送时为广播模式，无需从站应答，可作为广播报文发送，包括：

　　①修改线圈状态；

　　②修改寄存器内容；

　　③强置多线圈；

　　④预置多寄存器；

　　⑤询问诊断；

(3) MODBUS 规定了 2 种字符传输模式： ASCII 模式、 RTU （二进制）模式；两种传输模式不能混用；

(4) 传输错误校验

　　传输错误校验有奇偶校验、冗余校验检验。

　　当校验出错时，报文处理停止，从机不再继续通信，不对此报文产生应答；

　　通信错误一旦发生，报文便被视为不可靠； MODBUS 主机在一定时间过后仍未收到从站应答，即作出“通信错误已发生”的判断。

(5) 报文级（字符级）采用 CRC-16 （循环冗余错误校验）

(6) MODBUS 报文 RTU 格式

 

三. 异常应答

(1) 从机接收到的主机报文，没有传输错误，但从机无法正确执行主机命令或无法作出正确应答，从机将以“异常应答”回答之。

(2) 异常应答报文格式

例：主机发请求报文，功能码 01 ：读 1 个 04A1 线圈值

　　由于从机最高线圈地址为 0400 ，则 04A1 超地址上限，从机作出异常应答如下（注意：功能码最高位置 1 ）：

(3)异常应答码

四. 寄存器和功能码

modbus的功能码很多,且不同功能码对应的报文也不一致,后续博客我会借用开源库实现一个modbus master 测试功能码 解析报文

下边我用表格总结一下寄存器,功能码,报文格式

注:

(1)报文中的所有字节均为16进制

(2)由上图我们总结出不同的功能码的报文(无论询问报文还是响应报文)前8个字节都是一致的 都是2字节消息号+2字节ModBus标识+2字节长度+1字节站号+1字节功能码 后边根据功能码不同而不同

(3)报文中,指定线圈通断标志  FF00 置线圈为ON  0000置线圈为OFF

 

五.具体实现

接下来我们使用开源库NModbus库,来实现一个Modbus master

创建工程,从NuGet管理器安装NModbusu

 

先简单介绍一下NModbus中的几个重要方法

 

接下来做具体实现

 

  1 using System;
  2 using System.Collections.Generic;
  3 using System.ComponentModel;
  4 using System.Data;
  5 using System.Drawing;
  6 using System.Linq;
  7 using System.Text;
  8 using System.Threading.Tasks;
  9 using System.Windows.Forms;
 10 using NModbus;
 11 using System.Net.Sockets;
 12 using System.Threading;
 13 
 14 namespace ModbusTcp
 15 {
 16     public partial class Form1 : Form
 17     {
 18 
 19         private static ModbusFactory modbusFactory;
 20         private static IModbusMaster master;
 21         //写线圈或写寄存器数组
 22         bool[] coilsBuffer;
 23         ushort[] registerBuffer;
 24         //功能码
 25         string functionCode;
 26         //参数(分别为站号,起始地址,长度)
 27         byte slaveAddress;
 28         ushort startAddress;
 29         ushort numberOfPoints;
 30 
 31         public Form1()
 32         {
 33             InitializeComponent();
 34 
 35         }
 36         private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
 37         {
 38             //初始化modbusmaster
 39             modbusFactory = new ModbusFactory();
 40             //在本地测试 所以使用回环地址,modbus协议规定端口号 502
 41             master = modbusFactory.CreateMaster(new TcpClient("127.0.0.1", 502));
 42             //设置读取超时时间
 43             master.Transport.ReadTimeout = 2000;
 44             master.Transport.Retries = 2000;
 45             groupBox1.Enabled = false;
 46             groupBox2.Enabled = false;
 47         }
 48         /// 

 49         /// 读/写
 50         /// 
 51         /// 
 52         /// 
 53         private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 54         {
 55             ExecuteFunction();
 56         }
 57 
 58         private async void ExecuteFunction()
 59         {
 60             try
 61             {
 62                 //重新实例化是为了 modbus slave更换连接时不报错 
 63                 master = modbusFactory.CreateMaster(new TcpClient("127.0.0.1", 502));
 64                 if (functionCode != null)
 65                 {
 66                     switch (functionCode)
 67                     {
 68                         case "01 Read Coils"://读取单个线圈
 69                             SetReadParameters();
 70                             coilsBuffer = master.ReadCoils(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
 71 
 72                             for (int i = 0; i < coilsBuffer.Length; i++)
 73                             {
 74                                 SetMsg(coilsBuffer[i] + "");
 75                             }
 76                             break;
 77                         case "02 Read DisCrete Inputs"://读取输入线圈/离散量线圈
 78                             SetReadParameters();
 79 
 80                             coilsBuffer = master.ReadInputs(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
 81                             for (int i = 0; i < coilsBuffer.Length; i++)
 82                             {
 83                                 SetMsg(coilsBuffer[i] + "");
 84                             }
 85                             break;
 86                         case "03 Read Holding Registers"://读取保持寄存器
 87                             SetReadParameters();
 88                             registerBuffer = master.ReadHoldingRegisters(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
 89                             for (int i = 0; i < registerBuffer.Length; i++)
 90                             {
 91                                 SetMsg(registerBuffer[i] + "");
 92                             }
 93                             break;
 94                         case "04 Read Input Registers"://读取输入寄存器
 95                             SetReadParameters();
 96                             registerBuffer = master.ReadInputRegisters(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
 97                             for (int i = 0; i < registerBuffer.Length; i++)
 98                             {
 99                                 SetMsg(registerBuffer[i] + "");
100                             }
101                             break;
102                         case "05 Write Single Coil"://写单个线圈
103                             SetWriteParametes();
104                             await master.WriteSingleCoilAsync(slaveAddress, startAddress, coilsBuffer[0]);
105                             break;
106                         case "06 Write Single Registers"://写单个输入线圈/离散量线圈
107                             SetWriteParametes();
108                             await master.WriteSingleRegisterAsync(slaveAddress, startAddress, registerBuffer[0]);
109                             break;
110                         case "0F Write Multiple Coils"://写一组线圈
111                             SetWriteParametes();
112                             await master.WriteMultipleCoilsAsync(slaveAddress, startAddress, coilsBuffer);
113                             break;
114                         case "10 Write Multiple Registers"://写一组保持寄存器
115                             SetWriteParametes();
116                             await master.WriteMultipleRegistersAsync(slaveAddress, startAddress, registerBuffer);
117                             break;
118                         default:
119                             break;
120                     }
121 
122                 }
123                 else
124                 {
125                     MessageBox.Show("请选择功能码!");
126                 }
127                master.Dispose();
128             }
129             catch (Exception ex)
130             {
131 
132                 MessageBox.Show(ex.Message);
133             }
134         }
135         private void comboBox1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
136         {
137             if (comboBox1.SelectedIndex >= 4)
138             {
139                 groupBox2.Enabled = true;
140                 groupBox1.Enabled = false;
141             }
142             else
143             {
144                 groupBox1.Enabled = true;
145                 groupBox2.Enabled = false;
146             }
147             comboBox1.Invoke(new Action(() => { functionCode = comboBox1.SelectedItem.ToString(); }));
148         }
149 
150         /// 

151         /// 初始化读参数
152         /// 
153         private void SetReadParameters()
154         {
155             if (txt_startAddr1.Text == "" || txt_slave1.Text == "" || txt_length.Text == "")
156             {
157                 MessageBox.Show("请填写读参数!");
158             }
159             else
160             {
161                 slaveAddress = byte.Parse(txt_slave1.Text);
162                 startAddress = ushort.Parse(txt_startAddr1.Text);
163                 numberOfPoints = ushort.Parse(txt_length.Text);
164             }
165         }
166         /// 

167         /// 初始化写参数
168         /// 
169         private void SetWriteParametes()
170         {
171             if (txt_startAddr2.Text == "" || txt_slave2.Text == "" || txt_data.Text == "")
172             {
173                 MessageBox.Show("请填写写参数!");
174             }
175             else
176             {
177                 slaveAddress = byte.Parse(txt_slave2.Text);
178                 startAddress = ushort.Parse(txt_startAddr2.Text);
179                 //判断是否写线圈
180                 if (comboBox1.SelectedIndex == 4 || comboBox1.SelectedIndex == 6)
181                 {
182                     string[] strarr = txt_data.Text.Split(' ');
183                     coilsBuffer = new bool[strarr.Length];
184                     //转化为bool数组
185                     for (int i = 0; i < strarr.Length; i++)
186                     {
187                         // strarr[i] == "0" ? coilsBuffer[i] = true : coilsBuffer[i] = false;
188                         if (strarr[i] == "0")
189                         {
190                             coilsBuffer[i] = false;
191                         }
192                         else
193                         {
194                             coilsBuffer[i] = true;
195                         }
196                     }
197                 }
198                 else
199                 {
200                     //转化ushort数组
201                     string[] strarr = txt_data.Text.Split(' ');
202                     registerBuffer = new ushort[strarr.Length];
203                     for (int i = 0; i < strarr.Length; i++)
204                     {
205                         registerBuffer[i] = ushort.Parse(strarr[i]);
206                     }
207                 }
208             }
209         }
210         /// 

211         /// 清除文本
212         /// 
213         /// 
214         /// 
215         private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
216         {
217             richTextBox1.Clear();
218         }
219         /// 

220         /// SetMessage
221         /// 
222         /// 
223         public void SetMsg(string msg)
224         {
225             richTextBox1.Invoke(new Action(() => { richTextBox1.AppendText(msg + "\r\n"); }));
226         }
227 
228     }
229 }

View Code

 

界面布局

 

六 功能测试及报文解析

这里功能测试我们需要借助测试工具  Modbus Slave(Modbus从站客户端)

链接：https://pan.baidu.com/s/1Z3bET3l_2a4e6cu_p250tg
提取码：hq1r

简单说明一下,这里我实现了常用的几个功能码

0x01 读一组线圈

0x02 读一组输入线圈/离散量线圈

0x03 读一组保持寄存器

0x04 读一组输入寄存器

0x05 写单个线圈

0x06 写单个保持寄存器

0x0F 写多个线圈

0x10 写多个保持寄存器

简单说一下Modbus Slave 的操作

打开连接,建立连接,选择连接方式为Tcp/Ip 设置 Ip和端口号

选择线圈或寄存器

点击Setup->Slave Definition,这里的Function我们需要读/写什么线圈或寄存器就对应选择

 

 

测试1 功能码0x01

这里我们所有的测试从站都使用站号1 起始地址0 长度10

功能码0x01 读取线圈 Modbus Slave的Function选择01 Coil Status(0x)

测试结果:

点击Display->Communication 可以截取报文,我也不知道为什么他报文字体那么小(绝望ing)

000000-Rx:00 01 00 00 00 06 01 01 00 00 00 05
000001-Tx:00 01 00 00 00 04 01 01 01 06

测试2  功能码0x10

功能码0x10 写入一组数据到保持寄存器  Modbus Slave的Function选择03 Holding Register(4x) (说明一下 线圈和保持寄存器才有写操作)

测试结果

 报文

000070-Rx:00 01 00 00 00 11 01 10 00 00 00 05 0A 00 0C 00 22 00 38 00 4E 00 5A
000071-Tx:00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 05

上文测试了一个读操作和一个写操作,其他功能码的测试与上文一致,有兴趣的可以自行测试,

下一篇博客我要针对不同的功能码做对应的报文解析

程序源码:

链接：https://pan.baidu.com/s/1mPAhRixLbsDb7h2ePENTRA
提取码：b5w6

以上都为我自己学习总结并实现,有错误之处,希望大家不吝赐教,感谢(抱拳)!