IoTClient开发5 - ModBusRtu协议

前言

前面我们介绍了ModBusTcp协议。今天我们接着来介绍ModBusRtu协议。和ModBusTcp不同的是ModBusRtu基于串口通信，ModBusTcp是基于Tcp以太网通信。
所以我们在讲解ModBusRtu协议之前会先介绍下串口通信。

串口通信

串口出现在1980年前后，当初主要目的是用来做电脑外设设备的连接，如鼠标、键盘等。现在最新的电脑慢慢的取消了原始的串口接口，不过依然广泛用于工控和测量等设备。

串口通信参数

串口通信指的是串口按位(bit)发送和接收字节，串口通信参数主要有波特率、数据位、停止位、校验位。

波特率

波特率表达的是串口通信的速率，一秒钟内传送的信号单元(码元)个数。信号单元一般包含10位(7个数据位、1个校验位、1到2个停止位)。注意：波特率和距离成反比

数据位

通信中实际的数据，有效值为6、7和8。

停止位

用来表示单个包的最后一位，有效值为1、1.5和2。停止位可用来表示传输的结束和校正时钟同步。注意：停止位的位数越多，时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率会越慢。

校验位

奇偶校验作为通信中的检错方式，如果发现错误则重新发送。

示例数据	偶校验位	奇校验位
0000000	00000000	00000001
1010001	10100011	10100010
1101001	11010010	11010011
1111111	11111111	11111110

从上可以看出奇偶校验就是在数据最后加一位，使数据中的1的数量保持偶数或奇数。

波特率和比特率 （扩展知识）

比特率是我们常用来表达宽带速率的一种方法。看上去和波特率很像，如果波特率的信号码元只传1比特(bit)，那么它们之间是相等的。如果波特率的信号码元传10比特，那么波特率是比特率的10倍。所以，波特率和比特率表达的意义是不一样的，不要搞混了。

宽带比特率的实际下载速度 （扩展知识）

Mbps和Mbit/s等效、kbit/s和kbps等效、bps和bit/s等效
1Mbps(Mbit/s) = 11024kbit(kbit/s) = 11024*1024bps(bit/s)，注意他们的单位都是bit(比特)，而不是byte(字节)，所以实际下载速度要除以八。1024 / 8 = 128 kb/s。

CRC16校验

CRC，Cyclic Redundancy Check循环冗余检验，是基于数据计算一组效验码，用于核对数据传输过程中是否被更改或传输错误。而ModBusRtu用到的是其中的CRC16校验。
其计算原理，可参考 1、2、3
以下是CRC16反向算法，经测试可用于ModBusRtu的CRC计算。

public class CRC16
{
    /// <summary>
    /// 验证CRC16校验码
    /// </summary>
    /// <param name="value">校验数据</param>
    /// <param name="poly">多项式码</param>
    /// <param name="crcInit">校验码初始值</param>
    /// <returns></returns>
    public static bool CheckCRC16(byte[] value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
    {
        if (value == null || !value.Any())
            throw new ArgumentException("生成CRC16的入参有误");

        var crc16 = GetCRC16(value, poly, crcInit);
        if (crc16[crc16.Length - 2] == crc16[crc16.Length - 1] && crc16[crc16.Length - 1] == 0)
            return true;
        return false;
    }

    /// <summary>
    /// 计算CRC16校验码
    /// </summary>
    /// <param name="value">校验数据</param>
    /// <param name="poly">多项式码</param>
    /// <param name="crcInit">校验码初始值</param>
    /// <returns></returns>
    public static byte[] GetCRC16(byte[] value, ushort poly = 0xA001, ushort crcInit = 0xFFFF)
    {
        if (value == null || !value.Any())
            throw new ArgumentException("生成CRC16的入参有误");

        //运算
        ushort crc = crcInit;
        for (int i = 0; i < value.Length; i++)
        {
            crc = (ushort)(crc ^ (value[i]));
            for (int j = 0; j < 8; j++)
            {
                crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ poly) : (ushort)(crc >> 1);
            }
        }
        byte hi = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8);  //高位置
        byte lo = (byte)(crc & 0x00FF);         //低位置

        byte[] buffer = new byte[value.Length + 2];
        value.CopyTo(buffer, 0);
        buffer[buffer.Length - 1] = hi;
        buffer[buffer.Length - 2] = lo;
        return buffer;
    }
}

协议报文分析

数据【读取-请求报文】：01 03 00 04 00 01 C5 CB

• 01 站号
• 03 功能码
• 00 04 读取的寄存器的起始地址
• 00 01 读取寄存器的个数
• C5 CB 为CRC16的校验码【使用上面的CRC16类进行的计算结果，CRC16.GetCRC16([01,03,00,04,00,01])】

数据【读取-响应报文】：01 03 02 00 21 78 5C

• 01 站号
• 03 功能码
• 02 数据的字节长度
• 00 21 数据
• 78 5C 为CRC16的校验码

数据【写入-请求报文】：01 10 00 04 00 01 02 00 21 67 CC

• 01 站号
• 10 功能码
• 00 04 写入的寄存器的起始地址
• 00 01 写入寄存器的个数
• 02 写字节的个数
• 00 21 要写的数据
• 67 CC 为CRC16的校验码

数据【写入-响应报文】：01 10 00 04 00 01 40 08

• 01 站号
• 10 功能码
• 00 04 写入的寄存器的起始地址
• 00 01 写入寄存器的个数
• 40 08 为CRC16的校验码

有了报文的分析，具体的协议实现也就不难了。完整实现可参考https://github.com/zhaopeiym/IoTClient/blob/master/IoTClient/Clients/ModBus/ModBusRtuClient.cs

IoTClient中ModBusRtu协议的使用

安装

Nuget安装 Install-Package IoTClient
或图形化安装

使用

//1、实例化客户端 - [COM端口名称,波特率,数据位,停止位,奇偶校验]
ModBusRtuClient client = new ModBusRtuClient("COM3", 9600, 8, StopBits.One, Parity.None);

//2、写操作 - 参数依次是：地址 、值 、站号 、功能码
client.Write("4", (short)33, 2, 16);
client.Write("4", (short)3344, 2, 16);

//3、读操作 - 参数依次是：地址 、站号 、功能码
var value = client.ReadInt16("4", 2, 3).Value;
var value2 = client.ReadInt32("4", 2, 3).Value;

//4、如果没有主动Open，则会每次读写操作的时候自动打开自动和关闭连接，这样会使读写效率大大减低。所以建议手动Open和Close。
client.Open();

//5、读写操作都会返回操作结果对象Result
var result = client.ReadInt16("4", 2, 3);
//5.1 读取是否成功（true或false）
var isSucceed = result.IsSucceed;
//5.2 读取失败的异常信息
var errMsg = result.Err;
//5.3 读取操作实际发送的请求报文
var requst  = result.Requst;
//5.4 读取操作服务端响应的报文
var response = result.Response;
//5.5 读取到的值
var value3 = result.Value;

参考

• 同步至索引目录：《物联网基础组件IoTClient开发系列》
• https://baike.baidu.com/item/串口通信
• https://baike.baidu.com/item/比特率/1022775
• https://zh.wikipedia.org/wiki/奇偶校验位
• https://www.cnblogs.com/esestt/archive/2007/08/09/848856.html
• https://zh.wikipedia.org/wiki/循環冗餘校驗