Modbus-RTU详解_modbus rtu

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

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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。

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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

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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

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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。

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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 > 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);        }    }

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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 /// 
 ///  ///  byte[] StringToByte(string s) { string[] strings = s.Split(\' \') ; byte[] bs = new byte[strings.Length]; for (int i = 0; i < strings.Length; i++) { bs[i] = Convert.ToByte(strings[i],16); } return bs; } /// 
 /// CRC效验 /// 
 ///  ///  public static byte[] CRCCalc(byte[] data) { //crc计算赋初始值 int crc = 0xffff; for (int i = 0; i < data.Length; i++) { //XOR //(1) 0^0=0,0^1=1 0异或任何数＝任何数 //(2) 1 ^ 0 = 1,1 ^ 1 = 0 1异或任何数－任何数取反 //(3) 1 ^ 1 = 0,0 ^ 0 = 0 任何数异或自己＝把自己置0 //异或操作符是^。异或的特点是相同为false，不同为true。 crc = crc ^ data[i]; //和^表示按位异或运算。  //0x0fff ^ 0x01 Console.WriteLine(result.ToString(\"X\")); // 输出结果为4094，即十六进制数1001 for (int j = 0; j >) 将第一个操作数向右移动第二个操作数所指定的位数，空出的位置补0。右移相当于整除. 右移一位相当于除以2;右移两位相当于除以4;右移三位相当于除以8。 //int i = 7; //int j = 2; //Console.WriteLine(i >> j); //输出结果为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; }}

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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）

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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); }}