Modbus-RTU详解
目录
Modbus-RTU协议
Modbus-RTU 核心特性
数据帧格式
帧结构示例
应用场景与示例
1. PLC 控制电机启停
2. 读取温度传感器数据
CRC16校验算法
CRC16算法的过程
modbus-rtu的使用
发送数据
接收数据
tcp网口完整实现modbus-rtu协议
Modbus-RTU和Modbus-TCP的趋区别
使用NModbus4实现modbus-rtu协议
安装NModbus4库。
串口实现NModbus4
Modbus-RTU协议
Modbus RTU 协议是一种开放的串行协议，广泛应用于当今的工业监控设备中。该协议使用 RS-232 或 RS-485 串行接口进行通信，并得到市场上几乎所有商业 SCADA、HMI、OPC 服务器和数据采集软件程序的支持。因此，很容易将 Modbus 兼容设备集成到新的或现有的监控应用程序中，并具有即时的软件支持。
Modbus-RTU 核心特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 传输方式 | 二进制数据传输（紧凑高效） |
| 物理接口 | RS-485（多设备总线）或 RS-232（点对点） |
| 校验方式 | 循环冗余校验（CRC-16），校验范围包括整个数据帧 |
| 传输效率 | 高（无字符转换开销） |
| 最大设备数 | RS-485 总线支持最多 32~247 个设备（依赖驱动能力） |
| 典型应用 | 工业实时控制、设备监控、高速数据采集 |
数据帧格式
帧结构：设备地址、功能码、数据和CRC校验字段。
常用功能码：Modbus-RTU协议定义了一系列常用的功能码，用于执行不同的操作，如读取保持寄存器、写入单个寄存器、写入多个寄存器等。
(1). 功能码-0x03读保持寄存器：该功能码用于从设备中读取一个或多个保持寄存器的值。
(2). 功能码-0x06写单个寄存器：该功能码用于向设备中写入一个保持寄存器的值。
(3). 功能码-0x10写多个寄存器：该功能码用于向设备中写入多个连续的保持寄存器的值。
帧结构示例
Modbus RTU 功能 01 用于从 Modbus 从站数据采集设备读取线圈状态或数字输出状态。请参阅下面的典型命令和响应以及使用说明。
主机发送： 01 03 00 00 00 01 84 0A
从机响应： 01 03 02 19 98 B2 7E
该例子中，主机发送的数据为`地址 + 功能码 + 数据 + 校验`，CRC校验码是根据前面的数据计算得出的
回复的数据格式
应用场景与示例
1. PLC 控制电机启停
-
请求帧（主机 → 从机地址 0x02）：
02 05 00 01 FF 00 8C 09-
功能码
0x05：写单个线圈。 -
地址
0x0001：电机控制寄存器。 -
值
FF 00：ON（FF00表示 ON，0000表示 OFF）。
-
2. 读取温度传感器数据
-
请求帧（主机 → 从机地址 0x03）：
03 04 00 00 00 01 70 0B-
功能码
0x04：读输入寄存器。 -
地址
0x0000：温度传感器寄存器。 -
数量
0x0001：读取 1 个寄存器。
-
CRC16校验算法
CRC全称循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check， CRC)，是通信领域数据传输技术中常用的检错方法，用于保证数据传输的可靠性。
CRC校验的基本思路是数据发送方发送数据之前，先生成一个CRC校验码，可以是单bit也可以是多bit，并附在有效数据末尾，以串行方式发送到接收方。接收方接收到数据后，进行CRC校验，根据校验结果就可以知道数据是否有误。
CRC校验码的生成：将有效数据**扩展后**作为被除数，使用一个指定的**多项式**作为除数，进行模二除法，得到的**余数**就是校验码。
数据接收方的CRC校验：将接受的数据(**有效数据+CRC校验码**)扩展后作为被除数，用指定的多项式作为除数，进行模二除法，得到**余数为0**，则表示校验正确。
我们使用代码向设备发送命令帧时需要使用CRC算法计算校验值，当设备响应数据时使用CRC算法校验该数据是否正确，
CRC16算法的过程
1 初始化一个16位的寄存器地址 用作初始值
2 遍历数据字节，从最高位到最低位，
3 将数据字节与寄存器异或
4 对寄存器进行8次迭代，每一次迭代将寄存器右移一位
5 如果最低位位1，将寄存器与生成多项式0x8005异或，否则只进行右移操作
6 重复上述步骤直到遍历完所有的字节
7 最终寄存器的值就是crc16校验码
8 crc计算之后高低位进行互换
以下是封装的CRC16效验算法类：
public static class CRC16
{
///
/// CRC校验，参数data为byte数组
///
/// 校验数据，字节数组
/// 字节0是高8位，字节1是低8位
public static byte[] CRCCalc(byte[] data)
{
//crc计算赋初始值
int crc = 0xffff;
for (int i = 0; i < data.Length; i++)
{
crc = crc ^ data[i];
for (int j = 0; j < 8; j++)
{
int temp;
temp = crc & 1;
crc = crc >> 1;
crc = crc & 0x7fff;
if (temp == 1)
{
crc = crc ^ 0xa001;
}
crc = crc & 0xffff;
}
}
//CRC寄存器的高低位进行互换
byte[] crc16 = new byte[2];
//CRC寄存器的高8位变成低8位，
crc16[1] = (byte)((crc >> 8) & 0xff);
//CRC寄存器的低8位变成高8位
crc16[0] = (byte)(crc & 0xff);
return crc16;
}
///
/// CRC校验，参数为空格或逗号间隔的字符串
///
/// 校验数据，逗号或空格间隔的16进制字符串(带有0x或0X也可以),逗号与空格不能混用
/// 字节0是高8位，字节1是低8位
public static byte[] CRCCalc(string data)
{
//分隔符是空格还是逗号进行分类，并去除输入字符串中的多余空格
IEnumerable datac = data.Contains(",") ? data.Replace(" ", "").Replace("0x", "").Replace("0X", "").Trim().Split(',') : data.Replace("0x", "").Replace("0X", "").Split(' ').ToList().Where(u => u != "");
List bytedata = new List();
foreach (string str in datac)
{
bytedata.Add(byte.Parse(str, System.Globalization.NumberStyles.AllowHexSpecifier));
}
byte[] crcbuf = bytedata.ToArray();
//crc计算赋初始值
return CRCCalc(crcbuf);
}
///
/// CRC校验，截取data中的一段进行CRC16校验
///
/// 校验数据，字节数组
/// 从头开始偏移几个byte
/// 偏移后取几个字节byte
/// 字节0是高8位，字节1是低8位
public static byte[] CRCCalc(byte[] data, int offset, int length)
{
byte[] Tdata = data.Skip(offset).Take(length).ToArray();
return CRCCalc(Tdata);
}
}
modbus-rtu的使用
发送数据
现要读取变送器设备（地址 0x01）的风速值，文档如图所示
我们发送的命令帧应为
根据命令帧计算校验码（3种方式）
byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01 };
byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(buffer); // 根据字节数组计算
Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");
string data1 = "0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x02";
string data1 = "0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x02";
byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(data1); // 根据字符串计算
Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");
byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0xC4, 0x0B };
byte[] crc16 = CRC16Calc(buffer,0,6); // 从字节数组中截取某部分计算
Console.WriteLine($"{crc16[0]:X2} {crc16[1]:X2}");将数据和校验码数组进行合并然后发送
byte[] buffer = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01 };
byte[] crc16 = CRC16.CRCCalc(buffer);
byte[] data = buffer.Concat(crc16).ToArray();
serialPort.Write(data, 0, data.Length);
接收数据
我们将命令帧（请求帧、问询码）发送后，如果没有错误，从设备会返回对应的数据，如下读取变送器设备（地址 0x01）的实时风力等级值，将会返回如图所示的数据，我们需要将数据读取、校验、计算、展示
// 假设这是从设备响应的数据
// 0x01：设备地址码
// 0x03：功能码
// 0x02：读取到的数据字节
// 0x00, 0x01：当前风力等级
// 0x79, 0x84：校验码
byte[] value = new byte[] { 0x01, 0x03, 0x02, 0x00, 0x01, 0x79, 0x84 };
// 1、验证校验码是否正确
byte[] crc = CRC16.CRCCalc(value, 0, value.Length - 2);
if (crc[0] != value[value.Length - 2] || crc[1] != value[value.Length-1] ) {
MessageBox.Show("数据校验错误，应忽略");
return;
}
// 2、验证设备地址
if (value[0] != 0x01)
{
MessageBox.Show("设备地址不正确");
return;
}
// 3、计算数据
// int v = value[3] * 256 + value[4]; // 因为这个数据占两个字节，每个字节最大255，相当于256进制，转换为10进制
int v = (value[3] << 8) + value[4]; // 也可以使用左移运算符，高位左移8位，相当于乘2的8次方
// 4、数据展示
MessageBox.Show("风力等级：" + v);
tcp网口完整实现modbus-rtu协议
public partial class Form1 : Form
{
///
/// 套接字
///
Socket socket;
///
/// IP地址
///
string Ip = "192.168.107.5";
///
/// 端口
///
string Dk = "8016";
///
/// 命令帧
///
string Icommand = "01 03 00 00 00 02";
public Form1()
{
InitializeComponent();
button1.Enabled = false;
checkBox1.Enabled = false;
}
///
/// 打开连接
///
///
///
private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
{
if (button2.Text == "连接网口")
{
try
{
socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
socket.Connect(Ip, int.Parse(Dk));
button1.Enabled = true;
checkBox1.Enabled = true;
button2.Text = "断开";
this.timer1.Start();
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show(ex.Message);
}
}
else
{
if (socket == null) return;
socket.Close();
button1.Enabled = false;
checkBox1.Enabled = false;
checkBox1.Checked = false;
button2.Text = "连接网口";
this.timer1.Stop();
}
}
///
/// 刷新风速风向数据
///
///
///
private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
byte[] bs = new byte[1024];
bs = StringToByte(Icommand);
byte[] bb = CRCCalc(bs);
bs = bs.Concat(bb).ToArray();
await Task.Run(() =>
{
socket.Send(bs); // 发送请求帧
byte[] body = new byte[1024];
int length = socket.Receive(body); // 获取响应帧
double value = (body[3] * 256+ body[4]) *0.01;
double value2 = (body[5] * 256 + body[6]);
this.Invoke(new Action(() =>
{
this.textBox1.Text = value.ToString() + "m/s";
this.textBox2.Text = value2.ToString();
}));
});
}
///
/// 字符串转字节
///
///
///
/// CRC效验
///
///
///
Modbus-RTU和Modbus-TCP的趋区别
| 特性 | Modbus-RTU | Modbus-TCP |
|---|---|---|
| 物理层 | RS-485/RS-232 | 以太网（RJ45） |
| 传输速率 | 最高 115.2 kbps | 100 Mbps ~ 1 Gbps |
| 拓扑结构 | 总线型 | 星型/树型/网状 |
| 实时性 | 高（确定性延迟） | 依赖网络状况 |
| 扩展性 | 有限（受总线长度限制） | 高（支持跨网段通信） |
使用NModbus4实现modbus-rtu协议
NModbus4是一个C#实现的Modbus库，它允许开发者以Modbus RTU的方式与工业设备进行通信。
安装NModbus4库。
通过NuGet安装NModbus4
串口实现NModbus4
public partial class Form1 : Form
{
// 创建对象
ModbusSerialMaster master;
public Form1()
{
InitializeComponent();
this.serialPort1.PortName = "COM2"; // 串口名
this.serialPort1.BaudRate = 9600;
this.serialPort1.DataBits = 8;
this.serialPort1.Parity =System.IO.Ports.Parity.None;
this.serialPort1.StopBits = System.IO.Ports.StopBits.One;
serialPort1.Open();
master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort1);
}
///
/// 读取数据
///
///
///
private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
// ReadHoldingRegistersAsync 异步读取数据
// await 等待异步任务执行完之后 再往下执行
// 参数1 从站地址， 参数2 起始地址 参数3：寄存器个数
// values 元素个数和寄存器个数有关
ushort[] values = await master.ReadHoldingRegistersAsync(1,0x00,3);
comboBox1.DataSource = values;
}
///
/// 写入数据
///
///
///
private async void button2_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 写入 单个的寄存器
// 参数1 从站地址
// 参数2 写入的地址
// 参数3 写入的数据
// short 短整型
// ushort 无符号的短整型
await master.WriteSingleRegisterAsync(1,0x04,14);
}
}
