C#-串口通信快速入门及进阶扩展
目录
一、串口相关参数介绍
1、端口（COM口）
2、波特率（Baud rate）
3、起始位
4、停止位（StopBits）
5、数据位
6、校验位
7、缓存区
二、串口通信助手
三、虚拟串口工具
四、进阶扩展
1、位运算
2、负数、浮点数存储方式
3、数据校验算法
3.1、奇偶校验
3.2、LRC
3.3、累加和校验
3.4、CRC
介绍
常用多项式表
CRC-8
CRC-16
CRC-32
CRC-USB
4、Modbus通信协议
4.1、介绍
4.2、Modbus-RTU
串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种双向通讯方式。
串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的通信协议，通信协议很多，可根据实际情况选择和自定义。
一、串口相关参数介绍
1、端口（COM口）
CMO口（Communication Module Outlet）是一种用于连接计算机和外部设备的接口，也称为串行端口，简称CMO口，常见串口通讯有一般电脑应用的RS-232（使用 25 针或 9 针连接器）和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工RS-422。
电脑端口查看：设置->系统->关于->设备管理器->端口
2、波特率（Baud rate）
波特率是一个电子信号上的术语，用于描述信道的数据传输速度。
单位是bit/s,常见的9600波特率表示每秒传输9600个比特位，1个字节8位，9600/8=1200，代表每秒钟串口可传输1200个字节（不考虑起始位、停止位、校验位的情况下），注意：
- 波特率如果太高会导致传输数据不稳定，一般使用9600；
- 发送端与接收端波特率不一致会导致数据不一致；
3、起始位
起始位必须是持续一个比特时间的逻辑0电平，标志传输一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步；
C#开发中一般不需要设置起始位。
4、停止位（StopBits）
停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由软件设定，它一定是逻辑1电平，标志着传输一个字符的结束；
C#开发中一般通过StopBits枚举类型设置停止位，枚举值包括None、One、Two、OnePointFive四种（通常若设备不指定，默认停止位为1位）。
5、数据位
数据位紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定，一般可以是5位、7位或8位；
C#开发中若设备不指定，默认数据位为8位。
6、校验位
校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位；
C#开发中通常使用Parity枚举类型来设置校验位，有五种，日常开发中使用最多的是None无校验、Odd奇校验、Even偶校验。
7、缓存区
串口包括两个缓存区，发送缓存区和接收缓存区；
发送缓存区：(软件)发送数据时将数据先存在发送缓存区，再通过(硬件)串口发送出去;
接收缓存区：接收数据时先将数据存在接收缓存区，(软件)再从中读取数据；
二、串口通信助手
串口通信助手是用于测试和调试串口通信的工具，可通过串口与外部设备通信，提供界面来监视和控制串口数据的接收和发送，从而验证串口通信是否正常工作。
实现一个串口通信助手示例：C#Wpf-实现串口通信助手
分享一个串口通信助手，下载地址：友善串口通信助手
提取码: h64y
三、虚拟串口工具
当电脑无COM口时，使用该工具虚拟出COM口。
下载地址：VSPD
提取码：a2cp
破解说明：运行vspd.exe 安装，安装后先不运行，将 vspdctl.dll 文件放入工程目录中，覆盖原文件，即完成破解。
使用说明：点击Add Pair按钮添加虚拟COM口连接对，即可。
四、进阶扩展
1、位运算
| 符号 | 意义 | 逻辑介绍 | 示例 |
|---|---|---|---|
| ~ | 逻辑非 | 取反 | ~a |
| & | 逻辑与 | 清0 | a&b |
| | | 逻辑或 | 置1 | a|b |
| << | 按位左移，超出舍掉 | 乘以2的n次方 | a< |
| >> | 按位右移，超出舍掉 | 除以2的n次方 | a>>n |
| ^ | 异或 | 不同置1，相同清0 | a^b |
三次异或，可使变量值互换，示例如下：
int a = 13;
int b = 20;
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
Console.WriteLine($"a:{a}b:{b}");2、负数、浮点数存储方式
负数在计算机中是以补码的形式存储，补码计算方式：
- 最高位为符号位，负数符号位为1，正数为0；
- 除符号位，所有位取反得到反码；
- 反码＋1得到补码；
浮点数一般分为单精度与双精度两种，在计算机中的存储方式通常分为三部分：
- 符号位：正数为0，负数为1；
- 指数位：用于存储科学计数法中的指数部分；
- 小数位：用于表示小数部分，不足补0
单精度float格式：
| 符号位 | 指数位 | 小数位 |
|---|---|---|
| 1bit | 8bits | 23bits |
双精度double格式：
| 符号位 | 指数位 | 小数位 |
|---|---|---|
| 1bit | 11bits | 52bits |
float示例：
8.25转化为二进制表示为：整数部分除2取余，小数部分乘2取整，得到1000.01
科学计数法表示为：1.00001*2的3次方，指数为3（指数范围为-126-127），为消除负数影响，得到的指数＋127，得130，即指数1000 0010，小数：00001，存储格式如下：
| 符号位 | 指数位 | 小数位 |
|---|---|---|
| 0 | 1000 0010 | 000 0100 0000 0000 0000 0000 |
3、数据校验算法
由于数据传输距离的因素影响，计算机和受控设备间的通信数据常常出现不可预知的错误，为了避免错误带来的影响，通常会在通信时对数据进行校验。
3.1、奇偶校验
每8位加一个奇偶校验位，
奇校验：若数据位中1的数量为偶数，则校验位置1凑齐奇数个1，反之置0；
偶校验：若数据为中1的数量为奇数，则校验位置1凑齐偶数个1，反之置0；
缺点：减慢传输速率，偶数个错误时检测不出（出错率五五开）；
3.2、LRC
纵向冗余校验（Longitudinal Redundancy Check，LRC），又称逐字节奇偶校验，将数据依字节为单位纵向排列，所有字节相同位全部异或（奇数个1为1，反之为0），计算出一个字节的结果。
缺点：纵向偶数个错误时检测不出；
3.3、累加和校验
将数据的每个字节的值相加，其结果减去255的倍数（控制在0-255区间），然后放在数据最后，接收方接收数据后累加和后与校验值比对；
单个字符出错率1/256
3.4、CRC
介绍
CRC，循环冗余校验，使用的算法思想为除法，将余数作为校验值放在数据末尾；
模二除法（二进制的除法），CRC实际就是模二除法的升级版，通过借位（位移），将余数补在原数据末尾，以此来消掉余数。（接收端将修改后的数据与生成项模二相除没有余数即代表数据无误）
CRC除数叫生成多项式，又称生成项，不同的生成项有不同的CRC，如：CRC8、CRC16、CRC-USB、CRC32……。（二进制转多项式：数字中多少位1代表的是x的多少次方）
模二除法举例：
模二借位举例：
常用多项式表
CRC-8
CRC-8，8位校验码，适用于对数据简单校验的场景，常见的应用领域包括遥控器、智能家居等，示例如下：
public static byte CalcCrc8(byte[] data)
{
byte crc = 0x00;
byte polynomial = 0x8C; // CRC-8 多项式
foreach (byte b in data)
{
crc ^= b;
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
if ((crc & 0x80) != 0)
{
crc = (byte)((crc << 1) ^ polynomial);
}
else
{
crc <<= 1;
}
}
}
return crc;
}CRC-16
CRC-16，16位校验码，适用于中等程度校验场景，常见的应用领域包括Modbus通信协议、SD卡存储等，示例如下：
public static ushort CalcCrc16(byte[] data)
{
ushort crc = 0xFFFF;
ushort polynomial = 0xA001; // CRC-16 多项式
foreach (byte b in data)
{
crc ^= (ushort)(b << 8);
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
if ((crc & 0x01) == 0x01)
{
crc >>= 1;
crc ^= polynomial;
}
else
{
crc >>= 1;
}
}
}
return crc;
}CRC-32
CRC-32，32位校验码，适用于对数据需高强度校验的场景，常见的应用领域包括网络通信、文件传输、数据库存储等，示例如下：
public static uint CalcCrc32(byte[] data)
{
uint crc = 0xFFFFFFFF;
uint polynomial = 0xEDB88320; // CRC-32 多项式
foreach (byte b in data)
{
crc ^= b;
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
if ((crc & 0x00000001) != 0)
{
crc = (crc >> 1) ^ polynomial;
}
else
{
crc >>= 1;
}
}
}
return ~crc;
}CRC-USB
CRC-USB，CRC特殊算法之一，适用于USB接口，例如USB 1.1、USB 2.0等协议中的数据校验，示例如下：
public static uint CalcCrcUsb(byte[] data)
{
uint crc = 0xFFFFFFFF;
uint polynomial = 0x04C11DB7; // USB 多项式
foreach (byte b in data)
{
crc ^= (uint)(b << 24);
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
if ((crc & 0x80000000) != 0)
{
crc = (crc << 1) ^ polynomial;
}
else
{
crc <<= 1;
}
}
}
return ~crc;
}4、Modbus通信协议
4.1、介绍
Modbus，串行通信协议，属于OSI七层模型中的应用层，最初设计用于可编程逻辑控制器（PLC），Modbus是一种开放式协议，物理层支持使用RS232/RS485/RS422协议的串行设备，同时还支持调制解调器；
Modbus通过设备之间的串行线进行数据传输，最简单的设置是使用一根串行电缆连接两个设备（主设备和从设备）上的串行端口；
Modbus遵循主从模式通信，实现主站与一个(单播)或多个(广播)从站交换报文数据，通信由主机发起，一问一答式，从设备无法主动向主机发送数据。
常用类别有Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP，这里主要介绍Modbus-RTU；
4.2、Modbus-RTU
报文格式：
| 地址码 | 功能码 | 数据 | CRC-16 |
|---|---|---|---|
| 1字节 | 1字节 | n字节 | 2字节 |
地址码：0为主机广播地址，1-247为从机地址，248-255保留；
功能码：常用功能码如下表：
| 代码 |
名称 |
作用 |
| 01 |
读取线圈状态 |
取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF) |
| 02 |
读取输入状态 |
取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF) |
| 03 |
读取保持寄存器 |
在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 |
| 04 |
读取输入寄存器 |
在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值 |
| 05 |
强置(写)单线圈 |
强置一个逻辑线圈的通断状态 |
| 06 |
预置(写)单寄存器 |
放置一个特定的二进制值到一个单寄存器中 |
| 07 |
读取异常状态 |
取得8个内部线圈的通断状态 |
| 15 |
强置(写)多线圈 |
强置一串连续逻辑线圈的通断 |
| 16 |
预置(写)多寄存器 |
放置一系列特定的二进制值到一系列多寄存器中 |
| 17 |
报告从机标识 |
可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态 |
数据：通常包括起始地址、数据长度或数据，都为大端模式（低位存于高地址）；
CRC校验：通常使用16位校验码，采用小端模式（低位存于低地址）；
Modbus-Rtu报文封装示例（仅供参考）：
///
/// MODEBUS_RTU通信数据
///
/// 地址码
/// 功能码
/// 读/写参数代号地址（起始地址）
/// 读取数据长度或写数据值
/// GetModbusData(byte devadress, byte funccode, int paraadress, int value)
{
List data = new List()
{
devadress,
funccode,
};
var high = (paraadress & 0xFF00) >> 8;//高8位
var low = paraadress & 0xFF;//低8位
data.Add(Convert.ToByte(high));
data.Add(Convert.ToByte(low));
high = (value & 0xFF00) >> 8;
low = value & 0xFF;
data.Add(Convert.ToByte(high));
data.Add(Convert.ToByte(low));
var res = Crc16.CRC16(data.ToArray());//16位校验
high = (res & 0xFF00) >> 8;
low = res & 0xFF;
data.Add(Convert.ToByte(low));
data.Add(Convert.ToByte(high));
return data;
}