浅谈C#使用TCP/IP与ModBus进行通讯

Client与Server之间有两种通讯方式:一种是TCP/IP,另一种是通过串口(Serial Port),本文重点介绍***种通讯方式。第二种方式留了接口,暂时还没有实现。

  2. 数据包格式及MBAP header (MODBUS Application Protocol header)

  2.1 数据包格式

  数据交换过程中,数据包的格式由三部分组成:协议头 + 功能码 + 数据(请求或接受的数据)。

  这里主要用到下列两个功能码(十进制):  

3: 读取寄存器中的值(Read Multiple Register)

  16: 往寄存器中写值(Write Multiple Register)

  2.2 MBAP header

协议头具体包括下列4个字段:

  (1) Transaction Identifier:事务ID标识,Client每发送一个Request数据包的时候,需要带上该标识;当Server响应该请求的时候,会把该标识复制到Response中;这样客户端就可以进行容错判断,防止数据包发串了。

  (2) Protocal Identifier:协议标识,ModBus协议中,该值为0;

  (3) Length:整个数据包中,从当个前这个字节之后开始计算,后续数据量的大小(按byte计算)。

  (4) Unit Identifier:

  3. 大小端转换

  ModBus使用Big-Endian表示地址和数据项。因此在发送或者接受数据的过程中,需要对数据进行转换。

  3.1 判断大小端

  对于整数1,在两种机器上有两种不同的标示方式,如上图所示;因此,我们可以用&操作符来取其地址,再转换成指向byte的指针(byte*),***再取该指针的值;若得到的byte值为1,则为Little-Endian,否则为Big-Endian。

 
 
 
 
  1. unsafe
  2. {
  3. inttester = 1;
  4. boollittleEndian = (*(byte*)(&tester)) == (byte)1;
  5. }

3.2 整数/浮点数转换成Byte数组

  .Net提供了现成的API,可以BitConverter.GetBytes(value)和BitConverter.ToXXOO(Byte[] data)来进行转换。下面的代码对该转换进行了封装,加入了Little-Endian转Big-Endian的处理(以int为例):

 
 
 
 
  1. publicclassValueHelper //Big-Endian可以直接转换
  2. {
  3. publicvirtualByte[] GetBytes(intvalue)
  4. {
  5. returnBitConverter.GetBytes(value);
  6. }
  7. publicvirtualintGetInt(byte[] data)
  8. {
  9. returnBitConverter.ToInt32(data, 0);
  10. }
  11. }
  12. internalclassLittleEndianValueHelper : ValueHelper //Little-Endian,转换时需要做翻转处理。
  13. {
  14. publicoverrideByte[] GetBytes(intvalue)
  15. {
  16. returnthis.Reverse(BitConverter.GetBytes(value));
  17. }
  18. publicvirtualintGetInt(byte[] data)
  19. {
  20. returnBitConverter.ToInt32(this.Reverse(data), 0);
  21. }
  22. privateByte[] Reverse(Byte[] data)
  23. {
  24. Array.Reverse(data);
  25. returndata;
  26. }
  27. }

4. 事务标识和缓冲处理

  4.1 Transaction Identifier

  上面2.2节中提到,Client每发送一个Request数据包的时候,需要带上一个标识;当Server响应该请求的时候,会把该标识复制到Response中,返回给Client。这样Client就可以用来判断数据包有没有发串。在程序中,可以可以用一个变量及记录该标识:

 
 
 
 
  1. privatebytedataIndex = 0;
  2.  protectedbyteCurrentDataIndex
  3. {
  4. get { returnthis.dataIndex; }
  5. }
  6. protectedbyteNextDataIndex()
  7. {
  8. return++this.dataIndex;
  9. }

每次Client发送数据的时候,调用NextDataIndex()来取得事务标识;接着当Client读取Server的返回值的时候,需要判断数据包中的数据标识是否与发送时的标志一致;如果一致,则认为数据包有效;否则丢掉无效的数据包。

  4.2 缓冲处理

  上节中提到,如果Client接收到的响应数据包中的标识,与发送给Server的数据标识不一致,则认为Server返回的数据包无效,并丢弃该数据包。

  如果只考虑正常情况,即数据木有差错,Client每次发送请求后,其请求包里面包含需要读取的寄存器数量,能算出从Server返回的数据两大小,这样就能确定读完Server返回的所有缓冲区中的数据;每次交互后,Socket缓冲区中都为空,则整个过程没有问题。但是问题是:如果Server端出错,或者数据串包等异常情况下,Client不能确定Server返回的数据包(占用的缓冲区)有多大;如果缓冲区中的数据没有读完,下次再从缓冲区中接着读的时候,数据包必然是不正确的,而且会错误会一直延续到后续的读取操作中。

  因此,每次读取数据时,要么全部读完缓冲区中的数据,要么读到错误的时候,就必须清楚缓冲区中剩余的数据。网上搜了半天,木有找到Windows下如何清理Socket缓冲区的。有篇文章倒是提到一个狠招,每次读完数据后,直接把Socket给咔嚓掉;然后下次需要读取或发送数据的时候,再重新建立Socket连接。

  回过头再来看,其实,在Client与Server进行交互的过程中,Server每次返回的数据量都不大,也就一个MBAP Header + 几十个寄存器的值。因此,另一个处理方式,就是每次读取尽可能多的数据(多过缓冲区中的数据量),多读的内容,再忽略掉。暂时这么处理,期待有更好的解决方法。

  5. 源代码

  5.1 类图结构:

  5.2 使用示例

  (1) 写入数据:

 
 
 
 
  1. this.Wrapper.Send(Encoding.ASCII.GetBytes(this.tbxSendText.Text.Trim()));
  2. publicoverridevoidSend(byte[] data)
  3. {
  4. //[0]:填充0,清掉剩余的寄存器
  5. if(data.Length <60)
  6. {
  7. var input = data;
  8. data = newByte[60];
  9. Array.Copy(input, data, input.Length);
  10. }
  11. this.Connect();
  12. Listvalues = newList(255);
  13. //[1].Write Header:MODBUS Application Protocol header
  14. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier)
  15. values.AddRange(newByte[] { 0, 0 });//
  16. Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol
  17. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((byte)(data.Length + 7)));//
  18. 后续的Byte数量
  19. values.Add(0);//
  20. Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose.
  21. values.Add((byte)FunctionCode.Write);//
  22. Function Code : 16 (Write Multiple Register)
  23. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址
  24. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)(data.Length / 2)));//11~12.寄存器数量
  25. values.Add((byte)data.Length);//13.数据的Byte数量
  26. //[2].增加数据
  27. values.AddRange(data);//14~End:需要发送的数据
  28. //[3].写数据
  29. this.socketWrapper.Write(values.ToArray());
  30. //[4].防止连续读写引起前台UI线程阻塞
  31. Application.DoEvents();
  32. //[5].读取Response: 写完后会返回12个byte的结果
  33. byte[] responseHeader = this.socketWrapper.Read(12);
  34. }

(2) 读取数据:

 
 
 
 
  1. this.tbxReceiveText.Text = Encoding.ASCII.GetString(this.Wrapper.Receive());
  2. publicoverridebyte[] Receive()
  3. {
  4. this.Connect();
  5. ListsendData = newList(255);
  6. //[1].Send
  7. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier)
  8. sendData.AddRange(newByte[] { 0, 0 });//3~4:Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol
  9. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)6));//5~6:后续的Byte数量(针对读请求,后续为6个byte)
  10. sendData.Add(0);//
  11. Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose.
  12. sendData.Add((byte)FunctionCode.Read);//8.Function Code : 3 (Read Multiple Register)
  13. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址
  14. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)30));//11~12.需要读取的寄存器数量
  15. this.socketWrapper.Write(sendData.ToArray()); //发送读请求
  16. //[2].防止连续读写引起前台UI线程阻塞
  17. Application.DoEvents();
  18. //[3].读取Response Header : 完后会返回8个byte的Response Header22:byte[] receiveData = this.socketWrapper.Read(256);//缓冲区中的数据总量不超过256byte,一次读256byte,防止残余数据影响下次读取
  19. shortidentifier = (short)((((short)receiveData[0]) <<8) + receiveData[1]);
  20. //[4].读取返回数据:根据ResponseHeader,读取后续的数据
  21. if(identifier != this.CurrentDataIndex) //请求的数据标识与返回的标识不一致,则丢掉数据包
  22. {
  23. returnnewByte[0];
  24. }
  25. bytelength = receiveData[8];//***一个字节,记录寄存器中数据的Byte数
  26. byte[] result = newbyte[length];
  27. Array.Copy(receiveData, 9, result, 0, length);
  28. returnresult;
  29. }

(3) 测试发送和读取:

  5.3 代码下载

  CSharpModBusExample

分享名称:浅谈C#使用TCP/IP与ModBus进行通讯
本文地址:http://www.mswzjz.cn/qtweb/news34/323934.html

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