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Modbus 是一個工業(yè)上常用的通訊協(xié)議、一種通訊約定。 ModBus 協(xié)議是應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議（OSI 模型第7層），它定義了一個與通信層無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），即PDU=功能碼+數(shù)據(jù)域。
ModBus 協(xié)議能夠應(yīng)用在不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)。對應(yīng)不同的總線或網(wǎng)絡(luò)，Modbus 協(xié)議引入一些附加域映射成應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU），即ADU=附加域+PDU。目前，Modbus 有下列三種通信方式：
1. 以太網(wǎng)，對應(yīng)的通信模式是Modbus TCP。
2. 異步串行傳輸（各種介質(zhì)如有線RS-232-/422/485/；光纖、無線等），對應(yīng)的通信模式是 Modbus RTU 或 Modbus ASCII。
Modbus 的ASCII、RTU 協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式。
3. 高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)的通信模式是Modbus PLUS。
Modbus 需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII 模式采用LRC 校驗；RTU模式采用16位CRC 校驗；TCP 模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗，因為TCP 是一個面向連接的可靠協(xié)議。
Modbus 協(xié)議的應(yīng)用中，最常用的是Modbus RTU 傳輸模式。
RTU 傳輸模式 當(dāng)設(shè)備使用RTU (Remote Terminal Unit) 模式在 Modbus 串行鏈路通信， 報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率。每個報文必須以連續(xù)的字符流傳送。
RTU 模式每個字節(jié) ( 11 位 ) 的格式為： 編碼系統(tǒng)： 8位二進(jìn)制。 報文中每個8位的字節(jié)含有兩個4位十六進(jìn)制字符(0–9， A–F) Bits per Byte： 1 起始位 8 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位 1 位作為奇偶校驗 1 停止位 偶校驗是要求的，其它模式 ( 奇校驗， 無校驗 ) 也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性，同時支持無校驗?zāi)Ｊ绞墙ㄗh的。默認(rèn)校驗?zāi)Ｊ侥Ｊ?必須為偶校驗。注：使用無校驗要求2 個停止位。
字符的串行傳送方式： 每個字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送(從左到右)：最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB) file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.jpg 圖1：RTU 模式位序列
設(shè)備配置為奇校驗、偶校驗或無校驗都可以接受。如果無奇偶校驗，將傳送一個附加的停止位以填充字符幀： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image004.jpg 圖2：RTU 模式位序列 (無校驗的特殊情況)
幀檢驗域：循環(huán)冗余校驗 (CRC) 在RTU 模式包含一個對全部報文內(nèi)容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的錯誤檢驗域。 CRC 域檢驗整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗，均執(zhí)行此檢驗。 CRC 包含由兩個8位字節(jié)組成的一個16位值。 CRC 域作為報文的最后的域附加在報文之后。計算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。CRC 高字節(jié)為報文發(fā)送的最后一個子節(jié)。 附加在報文后面的CRC 的值由發(fā)送設(shè)備計算。接收設(shè)備在接收報文時重新計算 CRC 的值，并將計算結(jié)果于實際接收到的CRC 值相比較。如果兩個值不相等，則為錯誤。 CRC 的計算，開始對一個16位寄存器預(yù)裝全1。 然后將報文中的連續(xù)的8位子節(jié)對其進(jìn)行后續(xù)的計算。只有字符中的8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC 的運算，起始位，停止位和校驗位不參與 CRC 計算。 CRC 的生成過程中， 每個 8–位字符與寄存器中的值異或。然后結(jié)果向最低有效位(LSB)方向移動(Shift) 1位，而最高有效位(MSB)位置充零。 然后提取并檢查 LSB：如果LSB 為1， 則寄存器中的值與一個固定的預(yù)置值異或；如果LSB 為 0， 則不進(jìn)行異或操作。 這個過程將重復(fù)直到執(zhí)行完8次移位。完成最后一次（第8次）移位及相關(guān)操作后，下一個8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復(fù)8次。當(dāng)所有報文中子節(jié)都運算之后得到的寄存器中的最終值，就是CRC。 當(dāng)CRC 附加在報文之后時，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。 CRC 算法如下： private bool CheckResponse(byte[] response) { //Perform a basicCRC check: byte[] CRC= new byte[2]; GetCRC(response, ref CRC); if(CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1]== response[response.Length - 1]) return true; else return false; }
private void GetCRC(byte[]message, ref byte[] CRC) { //Function expects amodbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to //return the CRC values:
ushortCRCFull = 0xFFFF; byteCRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF; char CRCLSB;
for (int i = 0; i < (message.Length)- 2; i++) { CRCFull = (ushort)(CRCFull ^message);
for (int j = 0; j < 8; j++) { CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001); CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1)& 0x7FFF);
if(CRCLSB == 1) CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001); } } CRC[1] =CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF); CRC[0] =CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF); }
幀描述 (如下圖所示) ： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image006.jpg 圖3：RTU 報文幀 注意：Modbus RTU 幀最大為256字節(jié)。
下面是我為公司設(shè)計的一個 ModbusRTU 通信測試小工具，界面截圖如下： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image008.jpg 圖4：Modbus RTU 通信工具
我的通用Modbus RTU 動態(tài)庫，modbus.cs 如下： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image009.gifmodbus.cs using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; using System.IO.Ports; using System.Threading;
namespace SerialPort_Lib { public class modbus { privateSerialPort sp = newSerialPort(); public string modbusStatus;
#regionConstructor / Deconstructor public modbus() { } ~modbus() { } #endregion
#regionOpen / Close Procedures public bool Open(stringportName, int baudRate, int databits, Parity parity, StopBitsstopBits) { //Ensureport isn't already opened: if(!sp.IsOpen) { //Assigndesired settings to the serial port: sp.PortName = portName; sp.BaudRate = baudRate; sp.DataBits = databits; sp.Parity = parity; sp.StopBits = stopBits; //Thesetimeouts are default and cannot be editted through the class at this point: sp.ReadTimeout = -1; sp.WriteTimeout = 10000;
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() { //Ensureport 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
#regionCRC Computation privatevoid GetCRC(byte[]message, ref byte[] CRC) { //Functionexpects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in whichto //return the CRC values:
ushortCRCFull = 0xFFFF; byteCRCHigh = 0xFF, CRCLow = 0xFF; char CRCLSB;
for (int i = 0; i <(message.Length) - 2; i++) { CRCFull = (ushort)(CRCFull ^message); for (int j = 0; j < 8; j++) { CRCLSB = (char)(CRCFull & 0x0001); CRCFull = (ushort)((CRCFull >> 1)& 0x7FFF); if(CRCLSB == 1) CRCFull = (ushort)(CRCFull ^ 0xA001); } } CRC[1] =CRCHigh = (byte)((CRCFull >> 8) & 0xFF); CRC[0] =CRCLow = (byte)(CRCFull & 0xFF); } #endregion #regionBuild Message privatevoid BuildMessage(byteaddress, byte type, ushortstart, ushort registers, ref byte[] message) { //Arrayto receive CRC bytes: byte[]CRC = new byte[2]; message[0] = address; message[1] = type; message[2] =(byte)(start >> 8); message[3] =(byte)start; message[4] =(byte)(registers >> 8); message[5] =(byte)registers; GetCRC(message, ref CRC); message[message.Length - 2] = CRC[0]; message[message.Length - 1] = CRC[1]; } #endregion #regionCheck Response privatebool CheckResponse(byte[] response) { //Performa basic CRC check: byte[]CRC = new byte[2]; GetCRC(response, ref CRC); if(CRC[0] == response[response.Length - 2] && CRC[1]== response[response.Length - 1]) return true; else returnfalse; } #endregion #regionGet Response privatevoid GetResponse(refbyte[] response) { //Thereis 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 ReadBytecommand for a fixed length as it's been shown to be reliable. for(int i = 0; i< response.Length; i++) { response = (byte)(sp.ReadByte()); } } #endregion
#regionGetModbusData 獲得接收數(shù)據(jù) public bool GetModbusData(refbyte[] values) { //Ensureport is open: if (sp.IsOpen) { // 等待線程進(jìn)入 //Monitor.Enter(sp);
//Clear in/out buffers: //sp.DiscardOutBuffer(); //sp.DiscardInBuffer();
//Message is 1 addr + 1 type +N Data + 2 CRC
try { //GetResponse(refreadBuffer); //string str =readBuffer.ToString();
intcount = sp.BytesToRead; if(count > 0) { byte[] readBuffer = newbyte[count];
GetResponse(ref readBuffer);
// readData = newbyte[29]; // Array.Copy(readBuffer, readData,readData.Length);
// CRC 驗證 if (CheckResponse(readBuffer)) { //顯示輸入數(shù)據(jù) 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 //{ // 通知其它對象 //Monitor.Pulse(sp); // 釋放對象鎖 //Monitor.Exit(sp); //} } else { modbusStatus = "Serial port not open"; return false; } } #endregion
#regionSendModbusData 打包發(fā)送數(shù)據(jù) public bool SendModbusData(refbyte[] values) { //Ensureport is open: if (sp.IsOpen) { //Clearin/out buffers: sp.DiscardOutBuffer(); sp.DiscardInBuffer();
//Function3 response buffer: byte[]response = new byte[values.Length+ 2]; Array.Copy(values, response,values.Length);
//BuildMessage(address,(byte)3, start, registers, ref message);
//打包帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)包: byte[]CRC = new byte[2]; GetCRC(response, ref CRC); response[response.Length - 2] = CRC[0]; response[response.Length - 1] = CRC[1];
values = response; //返回帶有 CRC 驗證的modbus 數(shù)據(jù)包
//Send modbus message to SerialPort: try { sp.Write(response, 0, response.Length); //GetResponse(refresponse); returntrue; } catch (Exception err) { modbusStatus = "Error in read event: " + err.Message; return false; } //Evaluatemessage: //if (CheckResponse(response)) //{ // //Returnrequested register values: // for (int i = 0; i < (response.Length -5) / 2; i++) // { // values = response[2 * i + 3]; // values <<= 8; // values += response[2 * i + 4]; // } // modbusStatus = "Read successful"; // return true; //} //else //{ // modbusStatus = "CRC error"; // return false; //} } else { modbusStatus = "Serial port not open"; return false; }
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