Modbus（一）---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。

协议概述

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

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；

协议要点

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。

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：


 - 修改线圈状态；
 
 - 修改寄存器内容；

 - 强置多线圈；
 
 - 预置多寄存器；

 -  询问诊断；

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；
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。

报文级（字符级）采用 CRC-16 （循环冗余错误校验）
MODBUS 报文 RTU 格式

异常应答

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。
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 ）：

异常应答码

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

报文中的所有字节均为16进制
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
报文中,指定线圈通断标志 FF00 置线圈为ON 0000置线圈为OFF

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

具体实现

csharp
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using NModbus;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;

namespace ModbusTcp
{
    public partial class Form1 : Form
    {

        private static ModbusFactory modbusFactory;
        private static IModbusMaster master;
        //写线圈或写寄存器数组
        bool[] coilsBuffer;
        ushort[] registerBuffer;
        //功能码
        string functionCode;
        //参数(分别为站号,起始地址,长度)
        byte slaveAddress;
        ushort startAddress;
        ushort numberOfPoints;

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();

        }
        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            //初始化modbusmaster
            modbusFactory = new ModbusFactory();
            //在本地测试 所以使用回环地址,modbus协议规定端口号 502
            master = modbusFactory.CreateMaster(new TcpClient("127.0.0.1", 502));
            //设置读取超时时间
            master.Transport.ReadTimeout = 2000;
            master.Transport.Retries = 2000;
            groupBox1.Enabled = false;
            groupBox2.Enabled = false;
        }
        /// <summary>
        /// 读/写
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            ExecuteFunction();
        }

        private async void ExecuteFunction()
        {
            try
            {
                //重新实例化是为了 modbus slave更换连接时不报错
                master = modbusFactory.CreateMaster(new TcpClient("127.0.0.1", 502));
                if (functionCode != null)
                {
                    switch (functionCode)
                    {
                        case "01 Read Coils"://读取单个线圈
                            SetReadParameters();
                            coilsBuffer = master.ReadCoils(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);

                            for (int i = 0; i < coilsBuffer.Length; i++)
                            {
                                SetMsg(coilsBuffer[i] + "");
                            }
                            break;
                        case "02 Read DisCrete Inputs"://读取输入线圈/离散量线圈
                            SetReadParameters();

                            coilsBuffer = master.ReadInputs(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
                            for (int i = 0; i < coilsBuffer.Length; i++)
                            {
                                SetMsg(coilsBuffer[i] + "");
                            }
                            break;
                        case "03 Read Holding Registers"://读取保持寄存器
                            SetReadParameters();
                            registerBuffer = master.ReadHoldingRegisters(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
                            for (int i = 0; i < registerBuffer.Length; i++)
                            {
                                SetMsg(registerBuffer[i] + "");
                            }
                            break;
                        case "04 Read Input Registers"://读取输入寄存器
                            SetReadParameters();
                            registerBuffer = master.ReadInputRegisters(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);
                            for (int i = 0; i < registerBuffer.Length; i++)
                            {
                                SetMsg(registerBuffer[i] + "");
                            }
                            break;
                        case "05 Write Single Coil"://写单个线圈
                            SetWriteParametes();
                            await master.WriteSingleCoilAsync(slaveAddress, startAddress, coilsBuffer[0]);
                            break;
                        case "06 Write Single Registers"://写单个输入线圈/离散量线圈
                            SetWriteParametes();
                            await master.WriteSingleRegisterAsync(slaveAddress, startAddress, registerBuffer[0]);
                            break;
                        case "0F Write Multiple Coils"://写一组线圈
                            SetWriteParametes();
                            await master.WriteMultipleCoilsAsync(slaveAddress, startAddress, coilsBuffer);
                            break;
                        case "10 Write Multiple Registers"://写一组保持寄存器
                            SetWriteParametes();
                            await master.WriteMultipleRegistersAsync(slaveAddress, startAddress, registerBuffer);
                            break;
                        default:
                            break;
                    }

                }
                else
                {
                    MessageBox.Show("请选择功能码!");
                }
               master.Dispose();
            }
            catch (Exception ex)
            {

                MessageBox.Show(ex.Message);
            }
        }
        private void comboBox1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            if (comboBox1.SelectedIndex >= 4)
            {
                groupBox2.Enabled = true;
                groupBox1.Enabled = false;
            }
            else
            {
                groupBox1.Enabled = true;
                groupBox2.Enabled = false;
            }
            comboBox1.Invoke(new Action(() => { functionCode = comboBox1.SelectedItem.ToString(); }));
        }

        /// <summary>
        /// 初始化读参数
        /// </summary>
        private void SetReadParameters()
        {
            if (txt_startAddr1.Text == "" || txt_slave1.Text == "" || txt_length.Text == "")
            {
                MessageBox.Show("请填写读参数!");
            }
            else
            {
                slaveAddress = byte.Parse(txt_slave1.Text);
                startAddress = ushort.Parse(txt_startAddr1.Text);
                numberOfPoints = ushort.Parse(txt_length.Text);
            }
        }
        /// <summary>
        /// 初始化写参数
        /// </summary>
        private void SetWriteParametes()
        {
            if (txt_startAddr2.Text == "" || txt_slave2.Text == "" || txt_data.Text == "")
            {
                MessageBox.Show("请填写写参数!");
            }
            else
            {
                slaveAddress = byte.Parse(txt_slave2.Text);
                startAddress = ushort.Parse(txt_startAddr2.Text);
                //判断是否写线圈
                if (comboBox1.SelectedIndex == 4 || comboBox1.SelectedIndex == 6)
                {
                    string[] strarr = txt_data.Text.Split(' ');
                    coilsBuffer = new bool[strarr.Length];
                    //转化为bool数组
                    for (int i = 0; i < strarr.Length; i++)
                    {
                        // strarr[i] == "0" ? coilsBuffer[i] = true : coilsBuffer[i] = false;
                        if (strarr[i] == "0")
                        {
                            coilsBuffer[i] = false;
                        }
                        else
                        {
                            coilsBuffer[i] = true;
                        }
                    }
                }
                else
                {
                    //转化ushort数组
                    string[] strarr = txt_data.Text.Split(' ');
                    registerBuffer = new ushort[strarr.Length];
                    for (int i = 0; i < strarr.Length; i++)
                    {
                        registerBuffer[i] = ushort.Parse(strarr[i]);
                    }
                }
            }
        }
        /// <summary>
        /// 清除文本
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            richTextBox1.Clear();
        }
        /// <summary>
        /// SetMessage
        /// </summary>
        /// <param name="msg"></param>
        public void SetMsg(string msg)
        {
            richTextBox1.Invoke(new Action(() => { richTextBox1.AppendText(msg + "\r\n"); }));
        }

    }
}