C# 实现 Modbus-RTU 协议

前言

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。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。

对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。

RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。

对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。

对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。

这篇主要讲解下在C#下的RTU格式请求与解析。

通用Modbus帧如下所示，即通用十六进制报文：

各部分功能如下：

地址域：Modbus从机地址，为了区分串口总线上各设备的地址，即多个设备可以并联（手拉手）式的接入同一个总线；

功能码：区分此请求/应答报文的功能，比如0x01读线圈数据，0x03读多个（内部存储器或输出寄存器）寄存器等；

数据域：报文附加信息，主从机（服务端、客户端）使用这个信息执行功能码定义的操作；

差错校验：此报文的校验码，接收端可以以此来验证报文完整、合法性；

Modbus数据模型如下，离散量或线圈为bit数据，即占一位，如功能码0x01；输入/输出寄存器占16个bit，即两个字节，按照short/ushort解析数据，如功能码0x03；

Modbus常见功能码如下所示，常用功能码有：0x01读线圈、0x05写单个线圈、0x03读输出寄存器、0x04读输入寄存器、0x06写单个寄存器、0x10写多个寄存器等。

以下举例说明了部分功能码的报文格式。

0x01-读线圈，各线圈占一个bit位，示例如下：

请求报文：03 01 00 00 00 07 xx xx

　03 -- 从机地址

　01 -- 功能码

　00 00 -- 线圈起始地址

　00 07 -- 线圈数量，查询线圈的个数

　xx xx -- CRC校验码

应答报文：03 01 01 23 xx xx

　03 -- 从机地址

　01 -- 功能码

　01 -- 数据字节数，即后面（不包含校验码）跟了多少个字节数据

　23 -- 数据内容，此指线圈状态，

　xx xx -- CRC校验

实时数据解析，主机从0x0000起始地址请求0x07个线圈数据，由于每个线圈状态占1位（bit），从机返回0x01个字节的数据，0x23即为这7个线圈状态，0x23转成二进制0010 0011，从左到右是bit7->bit0，寄存器地址为0x0000的线圈状态为bit0，值为1；寄存器地址为0x0001的线圈状态为bit1，值为1；寄存器地址为0x0002的线圈状态为bit2，值为0......

0x03-读保持寄存器，各寄存器值占二个字节，示例如下：

请求报文：01 03 00 00 00 03 xx xx

　01 -- 从机地址

　03 -- 功能码

　00 00 -- 寄存器起始地址

　00 03 -- 寄存器数量，查询保持寄存器的个数

　xx xx -- CRC校验码

应答报文：01 03 06 00 01 00 02 00 03 xx xx

　01 -- 从机地址

　03 -- 功能码

　06 -- 数据字节数，即后面（不包含校验码）跟了多少个字节数据，一个寄存器值占2个字节，请求3个寄存器，返回6个字节

　00 01 00 02 00 03 -- 数据内容

　xx xx -- CRC校验

实时数据解析，主机从0x0000起始地址请求0x07个寄存器数据，由于每个寄存器数据占2个字节，从机返回0x06个字节的数据，寄存器地址为0x0000的寄存器数据为0x0001；寄存器地址为0x0001的寄存器数据为0x0002；寄存器地址为0x0000的寄存器数据为0x0001......注意数据类型，各协议文档有些大小端区别等。。。

0x06-写单个保持寄存器，各寄存器值占二个字节，示例如下：

请求报文：01 06 00 00 00 03 xx xx

　01 -- 从机地址

　06 -- 功能码

　00 00 -- 寄存器地址

　00 03 -- 寄存器值

　xx xx -- CRC校验码

应答报文：01 06 06 00 01 00 02 00 03 xx xx

　01 -- 从机地址

　06 -- 功能码

　00 00 -- 寄存器地址

　00 03 -- 寄存器值

　xx xx -- CRC校验

数据解析，主机写寄存器地址为0x0000值，写入值为0x0003......注意数据类型，各协议文档有些大小端区别等。。。

其他功能码参考文档分析了。

Modbus协议接入，在嵌入式软件里一般通过串口连接到开发板，打开串口，读写数据。

在物联网接入方面一般需要借助其他设备（串口转以太网，串口服务器）转接到服务器里，本文主要着重讲解下此方法，串口转以太网（局域网）的设备可以使用有人的设备USR-N540、USR-N5x0系列，通过透传的方式透传到以太网，可通过交换机以Socket通信方式接入到物联网平台。有人的设备如下：

.NET 程序通过Socket通信和串口服务器通信，透传通过RS485转发到串口设备，即实现串口设备和物联网平台的通信。

在此处，平台做客户端连接串口服务器的服务端。

核心主要是平台组合生成请求数据包（查询寄存器值、控制），发送到串口设备，串口设备回复应答后平台进行解析、业务处理。

一、数据库表结构

数据库表脚本如下：

-- Modbus控制表
-- DROP TABLE IF EXISTS `protocolmodbuscontrol`;
CREATE TABLE `protocolmodbuscontrol` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `protocolid` smallint(5) NOT NULL COMMENT '协议ID',
  `canid` int(11) NOT NULL COMMENT 'CANID',
  `controlsignalid` int(11) NOT NULL COMMENT '控制信号ID',
  `registeraddr` int(11) NOT NULL COMMENT '控制寄存器地址',
  `slaveaddr` smallint(5) NOT NULL COMMENT '从机地址',
  `minvalue` double(15,3) NOT NULL COMMENT '最小值，需加变比比较',
  `maxvalue` double(15,3) NOT NULL COMMENT '最大值，需加变比比较',
  `operatetype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '运算类型，1-乘',
  `ratio` double(15,3) NOT NULL COMMENT '变比值，*ratio+offset',
  `offset` double(15,3) NOT NULL COMMENT '偏移量，只加',
  `datatype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '数据类型',
  `functiontype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '功能码区分',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

-- Modbus请求数据包表
-- DROP TABLE IF EXISTS `protocolmodbuspackage`;
CREATE TABLE `protocolmodbuspackage` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `protocolid` smallint(5) NOT NULL COMMENT '协议ID',
  `slaveaddr` smallint(5) NOT NULL COMMENT '从机地址',
  `packageid` int(11) NOT NULL COMMENT '包索引',
  `registerstartaddr` int(11) NOT NULL COMMENT '寄存器起始地址',
  `registercount` smallint(5) NOT NULL COMMENT '寄存器个数',
  `functiontype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '功能码',
  `devicetype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '设备类型',
  `canid` int(11) NOT NULL COMMENT 'CANID',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=MyISAM AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

-- Modbus信号表
-- DROP TABLE IF EXISTS `protocolmodbussignal`;
CREATE TABLE `protocolmodbussignal` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `protocolid` smallint(5) NOT NULL COMMENT '协议ID',
  `slaveaddr` smallint(5) NOT NULL COMMENT '从机地址',
  `packageid` int(11) NOT NULL COMMENT '包索引',
  `startindex` smallint(5) NOT NULL COMMENT '寄存器索引*2 = byte索引，从0开始',
  `startbit` smallint(5) NOT NULL COMMENT 'bit的起始地址，从0开始',
  `datalength` smallint(5) NOT NULL COMMENT '数据长度',
  `datatype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '数据类型',
  `signalid` int(11) NOT NULL COMMENT '信号ID',
  `operatetype` smallint(5) NOT NULL COMMENT '运算类型，1-乘',
  `ratio` double(15,3) NOT NULL COMMENT '变比，x*ratio+offset',
  `offset` double(15,3) NOT NULL COMMENT '偏移，只做+处理',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=MyISAM AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

二、寄存器数据查询

通过获取数据库中protocolmodbuspackage数据，轮询发送数据查询

/// <summary>
/// 发送请求
/// </summary>
/// <param name="package"></param>
void SendRealRequest(Protocolmodbuspackage package)
{
    LogEvent.Default.InfoFormat("接收到实时数据请求：{0}", JsonConvert.SerializeObject(package));
    RegisterRequest? request = ConvertToModbusRequest(package);
    byte[]? data = request?.ObjectToByte();
    if (data is null)
    {
        return;
    }

    SendMessage(package.Slaveaddr, data, EnumFunctionType.ReadKeepRegister);
    // 解析实时数据
    ParseRealData(package);
}

request?.ObjectToByte();

方法的核心是组合数据域数组，根据表protocolmodbuspackage中寄存器起始registerstartaddr、寄存器个数registercount组成，如寄存器地址是0x0000，寄存器个数是10，那么此数组数据为【0x00, 0x00, 0x00, 0x0A】

发送数据查询请求

/// <summary>
/// 发送消息
/// </summary>
/// <param name="addr"></param>
/// <param name="data"></param>
/// <param name="messageType"></param>
void SendMessage(byte addr, byte[] data, EnumFunctionType messageType)
{
    MessageInfo messageInfo = new MessageInfo(addr, (byte)messageType, data);
    byte[] sendData = messageInfo.ObjectToByte();
    SendEvent?.Invoke(sendData);
    LogEvent.Default.InfoFormat("发送成功:\r\n{0}", DataCopy.ToHexString(sendData));
}

messageInfo.ObjectToByte();

方法核心是组合整个数据包，根据表protocolmodbuspackage中从机地址slaveaddr、功能码functiontype和上面数据域数组，组成完成的数据包，如从机地址是0x01，功能码是0x03读保持寄存器，那么此数组数据为【0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0A, xx, xx】，xx xx表示校验位。

组成完整数据包后通过SendEvent?.Invoke(sendData);

方法发送到Socket（即串口服务器服务端）。

接收Socket服务端（串口服务器）应答

/// <summary>
/// 处理实时数据
/// </summary>
/// <param name="package"></param>
void ParseRealData(Protocolmodbuspackage package)
{
    MessageInfo? messageInfo = WaitTcpAck(); // 等待接收数据

    // 为 null，异常数据，功能码不相等，
    if (messageInfo is null || !messageInfo.Valid || messageInfo.MessageType != package.Functiontype)
    {
        return;
    }
获取包对应的信号点，如上读取从地址0x0000起始的10个寄存器的值，这10个数据如分别为：电压、电流等......
    List<Protocolmodbussignal> signalList = SignalList.FindAll(x => x.Packageid == package.Packageid && x.Slaveaddr == package.Slaveaddr);
    string deviceCode = $"{_stationCode}|{package.Canid}";

    ResponseMessage response = new ResponseMessage(messageInfo.Data, deviceCode, signalList);
    if (!response.Valid)
    {
        LogEvent.Default.Error($"响应无效:\n{messageInfo}");
        return;
    }
  // TODO 业务 // xx xx xx
}
  // ResponseMessage response = new ResponseMessage(messageInfo.Data, deviceCode, signalList);

protocolmodbussignal中配置了各信号对应的起始字节、起始bit位、数据长度、数据类型等，如A相电压是寄存器0的值，起始字节是0，数据类型是无符号ushort、A相电流是寄存器3的值，起始字节是6，数据类型是有符号short.....// 根据各个信号的配置即可进行解析，之后进行业务处理。

接收Socket服务端应答，由于RS485是一发一收，发送实时数据请求后，阻塞等待串口设备应答。

/// <summary>
/// 接收Tcp返回数据
/// </summary>
MessageInfo? WaitTcpAck()
{
    MessageInfo? messageInfo = null;
    for (int i = 0; i < PrivateConstValue.AckTimeOutCount; i++)
    {
        // 未获取到有效数据，继续等待
        byte[]? receive = GetAckEvent?.Invoke();
        if (receive is not null && receive.Any())
        {
            messageInfo = new MessageInfo(receive);
        }

        if (messageInfo is null)
        {
            Thread.Sleep(PrivateConstValue.AckTimeOutInterval);
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    return messageInfo;
}

三、控制，写寄存器

/// <summary>
/// 发送控制
/// </summary>
/// <param name="control"></param>
private void SendControl(DeviceControlReq control)
{
    try
    {
        LogEvent.Default.InfoFormat("接收到控制：{0}", JsonConvert.SerializeObject(control));

        string[] code = control.DeviceCode.Split(':');
        if (code.Length < 2)
        {
            LogEvent.Default.InfoFormat("设备编码异常：{0}", control.DeviceCode);
            return;
        }

        int canId = int.Parse(code[1]);
        Protocolmodbuscontrol? protocolControl = ControlList.Find(x => x.Canid == canId && x.Controlsignalid == control.SignalId);
        if (protocolControl is null)
        {
            LogEvent.Default.ErrorFormat("未找到相关控制点：{0}", JsonConvert.SerializeObject(control));
            return;
        }

        ModbusControl? modbusControl = ConvertToModbusControl(control, protocolControl);
        if (modbusControl is null)
        {
            return;
        }

        byte[] sendData = modbusControl.ObjectToByte();
        SendMessage((byte)protocolControl.Slaveaddr, sendData, (EnumFunctionType)protocolControl.Functiontype);

        // 等待接收数据
        MessageInfo? messageInfo = WaitTcpAck();
        ParseControlAck(messageInfo, control);
    }
    catch (Exception ex)
    {
        LogEvent.Default.Fatal("控制下发异常", ex);
    }
}

其中有些业务处理......

根据protocolmodbuscontrol中从机地址slaveaddr、寄存器地址registeraddr、功能码functiontype、数据类型datatype组合成待发送的写寄存器请求包，在发送完之后接收串口设备发送的应答并进行相应业务处理。

Socket 客户端代码如下：

using LogHelper;
using System.Net.Sockets;

namespace Protocol_ModbusRtuClient.Business;

/// <summary>
/// TCP通讯客户端
/// </summary>
public class TcpClient
{
    #region 属性

    /// <summary>
    /// TCP通讯Socket套接字
    /// </summary>
    private Socket? _socket;

    /// <summary>
    /// 通讯IP
    /// </summary>
    private readonly string _ip;

    /// <summary>
    /// 通讯端口
    /// </summary>
    private readonly int _port;

    /// <summary>
    /// 通讯已连接处理委托
    /// </summary>
    public delegate void ConnectedHandler();
    
    /// <summary>
    /// 通讯已连接处理事件
    /// </summary>
    public event ConnectedHandler? ConnectedEvent;

    #endregion 属性

    #region 构造

    /// <summary>
    /// 构造函数初始化
    /// </summary>
    /// <param name="configuration">配置信息</param>
    /// <exception cref="Exception">配置获取异常</exception>
    public TcpClient(IConfiguration configuration)
    {
        _ip = configuration.GetSection("TcpServer:IP").Value ?? throw new Exception("TCP服务IP未配置");
        _port = int.Parse(configuration.GetSection("TcpServer:Port").Value ?? throw new Exception("TCP服务端口未配置"));
        _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        if (_port > 65535 || string.IsNullOrEmpty(_ip))
        {
            LogEvent.Default.Fatal("配置文件中TcpServer不正确或未配置");
            throw new Exception("配置文件中TcpServer不正确或未配置");
        }
        
        new Task(ConnectTh).Start();
    }

    #endregion 构造

    #region 通讯收发数据包

    /// <summary>
    /// 接收数据包
    /// </summary>
    public byte[]? ReceiveData()
    {
        byte[] receive = new byte[65535];
        try
        {
            if (IsConnected() is false)
            {
                // 通讯连接断开，重新连接
                Reconnect();
            }

            _socket?.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReceiveTimeout, 50);
            int byteLen = _socket?.Receive(receive, receive.Length, SocketFlags.None) ?? 0;
            if (byteLen == 0)
            {
                return null;
            }

            byte[] receiveData = new byte[byteLen];
            Array.Copy(receive, 0, receiveData, 0, byteLen);
            return receiveData;
        }
        catch (SocketException socketEx)
        {
            if (socketEx.ErrorCode == 10060)
            {
                LogEvent.Default.Fatal("通讯被拒绝", socketEx);
            }
        }
        catch (Exception e)
        {
            LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
        }

        return null;
    }

    /// <summary>
    /// 发送数据包
    /// </summary>
    /// <param name="sendData">数据包</param>
    /// <returns>true-发送成功</returns>
    public bool SendData(byte[] sendData)
    {
        if (_socket is null || IsConnected() is false)
        {
            return false;
        }

        try
        {
            int count = _socket.Send(sendData);
            if (count <= 0)
            {
                _socket.Dispose();
            }

            return count > 0;
        }
        catch (Exception e)
        {
            LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
            return false;
        }
    }

    #endregion 通讯收发数据包

    #region Socket通讯

    /// <summary>
    /// 保持通讯连接
    /// </summary>
    private void ConnectTh()
    {
        while (true)
        {
            try
            {
                // 已连接且可通信
                if (IsConnected())
                {
                    continue;
                }

                // 已连接不可通信，回收
                if (_socket is { Connected: true })
                {
                    _socket.Dispose();
                }
                
                Connect();
            }
            catch (Exception e)
            {
                LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
            }
            finally
            {
                Thread.Sleep(1000);
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 判断通讯是否已连接
    /// </summary>
    /// <returns>true-已连接</returns>
    private bool IsConnected()
    {
        if (_socket is null)
        {
            return false;
        }
        
        // 套接字阻塞状态
        bool blockingState = _socket.Blocking;
        try
        {
            //尝试发送数据包
            byte[] tmp = new byte[1];
            _socket.Blocking = false;
            _socket.Send(tmp, 0, 0);
            return true;
        }
        catch (SocketException e)
        {
            // 连接被阻止
            return e.NativeErrorCode.Equals(10035);
        }
        catch (Exception e)
        {
            // 其他异常
            LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
            return false;
        }
        finally
        {
            // 恢复套接字状态
            _socket.Blocking = blockingState;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 通讯套接字连接
    /// </summary>
    private void Connect()
    {
        if (_socket is null)
        {
            _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        }
        else
        {
            _socket.Dispose();
            _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        }

        try
        {
            if (_socket.Connected is false)
            {
                // 连接服务器
                _socket.Connect(_ip, _port);
            }

            if (IsConnected())
            {
                // 连接成功后执行事件
                ConnectedEvent?.Invoke();
            }
        }
        catch (Exception e)
        {
            LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 重新连接
    /// </summary>
    private void Reconnect()
    {
        if (IsConnected())
        {
            // 已连接且可通讯
            return;
        }

        try
        {
            if (_socket is not null)
            {
                if (_socket.Connected)
                {
                    _socket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                    _socket.Disconnect(true);
                }

                // 未连接或不可通讯
                _socket.Close();
                _socket.Dispose();
            }

            Connect();
        }
        catch (Exception e)
        {
            LogEvent.Default.Fatal(e.Message);
        }
        finally
        {
            if (IsConnected() is false)
            {
                LogEvent.Default.InfoFormat("ReciveRDataTh中2次判断断线，调用Reconnect重连：通讯状态:{0}", _socket?.Connected);
            }
        }
    }
    
    #endregion Socket通讯
}

总结

本文详细介绍了如何使用C#编程语言实现Modbus-RTU协议。通过具体的代码示例和步骤说明，可以学习到如何在C#环境中搭建Modbus-RTU通信，包括初始化串口、发送和接收数据包、解析响应等关键环节。文章还提供了常见问题的解决方法和最佳实践，帮助大家快速掌握并应用于实际项目中。

最后

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作者：7嗨嗨

出处：cnblogs.com/7haihai/p/15788372.html

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