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淺談C#使用TCP/IP與ModBus進行通訊

Client與Server之間有兩種通訊方式：一種是TCP/IP，另一種是通過串口(Serial Port)，本文重點介紹***種通訊方式。第二種方式留了接口，暫時還沒有實現(xiàn)。

　　2. 數(shù)據(jù)包格式及MBAP header (MODBUS Application Protocol header)

　　2.1 數(shù)據(jù)包格式

　　數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)包的格式由三部分組成：協(xié)議頭 + 功能碼 + 數(shù)據(jù)(請求或接受的數(shù)據(jù))。

　　這里主要用到下列兩個功能碼（十進制）：　　

3: 讀取寄存器中的值（Read Multiple Register）

　　16: 往寄存器中寫值（Write Multiple Register）

　　2.2 MBAP header

協(xié)議頭具體包括下列4個字段：

　　(1) Transaction Identifier：事務ID標識，Client每發(fā)送一個Request數(shù)據(jù)包的時候，需要帶上該標識；當Server響應該請求的時候，會把該標識復制到Response中；這樣客戶端就可以進行容錯判斷，防止數(shù)據(jù)包發(fā)串了。

　　(2) Protocal Identifier：協(xié)議標識，ModBus協(xié)議中，該值為0；

　　(3) Length：整個數(shù)據(jù)包中，從當個前這個字節(jié)之后開始計算，后續(xù)數(shù)據(jù)量的大小(按byte計算)。

　　(4) Unit Identifier：

　　3. 大小端轉換

　　ModBus使用Big-Endian表示地址和數(shù)據(jù)項。因此在發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)的過程中，需要對數(shù)據(jù)進行轉換。

　　3.1 判斷大小端

　　對于整數(shù)1，在兩種機器上有兩種不同的標示方式，如上圖所示；因此，我們可以用&操作符來取其地址，再轉換成指向byte的指針(byte*)，***再取該指針的值；若得到的byte值為1，則為Little-Endian，否則為Big-Endian。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. unsafe
    2. 
  
  
  
  
  2. { 
    3. 
  
  
  
  
  3. inttester = 1; 
    4. 
  
  
  
  
  4. boollittleEndian = (*(byte*)(&tester)) == (byte)1; 
    5. 
  
  
  
  
  5. } 
    6.

3.2 整數(shù)/浮點數(shù)轉換成Byte數(shù)組

　　.Net提供了現(xiàn)成的API，可以BitConverter.GetBytes(value)和BitConverter.ToXXOO(Byte[] data)來進行轉換。下面的代碼對該轉換進行了封裝，加入了Little-Endian轉Big-Endian的處理（以int為例）：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. publicclassValueHelper //Big-Endian可以直接轉換 
    2. 
  
  
  
  
  2. { 
    3. 
  
  
  
  
  3. publicvirtualByte[] GetBytes(intvalue) 
    4. 
  
  
  
  
  4. { 
    5. 
  
  
  
  
  5. returnBitConverter.GetBytes(value); 
    6. 
  
  
  
  
  6. } 
    7. 
  
  
  
  
  7. publicvirtualintGetInt(byte[] data) 
    8. 
  
  
  
  
  8. { 
    9. 
  
  
  
  
  9. returnBitConverter.ToInt32(data, 0); 
    10. 
  
  
  
  
  10. } 
    11. 
  
  
  
  
  11. } 
    12. 
  
  
  
  
  12. internalclassLittleEndianValueHelper : ValueHelper //Little-Endian，轉換時需要做翻轉處理。 
    13. 
  
  
  
  
  13. { 
    14. 
  
  
  
  
  14. publicoverrideByte[] GetBytes(intvalue) 
    15. 
  
  
  
  
  15. { 
    16. 
  
  
  
  
  16. returnthis.Reverse(BitConverter.GetBytes(value)); 
    17. 
  
  
  
  
  17. } 
    18. 
  
  
  
  
  18. publicvirtualintGetInt(byte[] data) 
    19. 
  
  
  
  
  19. { 
    20. 
  
  
  
  
  20. returnBitConverter.ToInt32(this.Reverse(data), 0); 
    21. 
  
  
  
  
  21. } 
    22. 
  
  
  
  
  22. privateByte[] Reverse(Byte[] data) 
    23. 
  
  
  
  
  23. { 
    24. 
  
  
  
  
  24. Array.Reverse(data); 
    25. 
  
  
  
  
  25. returndata; 
    26. 
  
  
  
  
  26. } 
    27. 
  
  
  
  
  27. }
    28.

4. 事務標識和緩沖處理

　　4.1 Transaction Identifier

　　上面2.2節(jié)中提到，Client每發(fā)送一個Request數(shù)據(jù)包的時候，需要帶上一個標識；當Server響應該請求的時候，會把該標識復制到Response中，返回給Client。這樣Client就可以用來判斷數(shù)據(jù)包有沒有發(fā)串。在程序中，可以可以用一個變量及記錄該標識：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. privatebytedataIndex = 0; 
    2. 
  
  
  
  
  2.  protectedbyteCurrentDataIndex 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4. get { returnthis.dataIndex; } 
    5. 
  
  
  
  
  5. } 
    6. 
  
  
  
  
  6. protectedbyteNextDataIndex() 
    7. 
  
  
  
  
  7. { 
    8. 
  
  
  
  
  8. return++this.dataIndex; 
    9. 
  
  
  
  
  9. } 
    10.

每次Client發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，調(diào)用NextDataIndex()來取得事務標識；接著當Client讀取Server的返回值的時候，需要判斷數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)標識是否與發(fā)送時的標志一致；如果一致，則認為數(shù)據(jù)包有效；否則丟掉無效的數(shù)據(jù)包。

　　4.2 緩沖處理

　　上節(jié)中提到，如果Client接收到的響應數(shù)據(jù)包中的標識，與發(fā)送給Server的數(shù)據(jù)標識不一致，則認為Server返回的數(shù)據(jù)包無效，并丟棄該數(shù)據(jù)包。

　　如果只考慮正常情況，即數(shù)據(jù)木有差錯，Client每次發(fā)送請求后，其請求包里面包含需要讀取的寄存器數(shù)量，能算出從Server返回的數(shù)據(jù)兩大小，這樣就能確定讀完Server返回的所有緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；每次交互后，Socket緩沖區(qū)中都為空，則整個過程沒有問題。但是問題是：如果Server端出錯，或者數(shù)據(jù)串包等異常情況下，Client不能確定Server返回的數(shù)據(jù)包(占用的緩沖區(qū))有多大；如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)沒有讀完，下次再從緩沖區(qū)中接著讀的時候，數(shù)據(jù)包必然是不正確的，而且會錯誤會一直延續(xù)到后續(xù)的讀取操作中。

　　因此，每次讀取數(shù)據(jù)時，要么全部讀完緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，要么讀到錯誤的時候，就必須清楚緩沖區(qū)中剩余的數(shù)據(jù)。網(wǎng)上搜了半天，木有找到Windows下如何清理Socket緩沖區(qū)的。有篇文章倒是提到一個狠招，每次讀完數(shù)據(jù)后，直接把Socket給咔嚓掉；然后下次需要讀取或發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，再重新建立Socket連接。

　　回過頭再來看，其實，在Client與Server進行交互的過程中，Server每次返回的數(shù)據(jù)量都不大，也就一個MBAP Header + 幾十個寄存器的值。因此，另一個處理方式，就是每次讀取盡可能多的數(shù)據(jù)(多過緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)量)，多讀的內(nèi)容，再忽略掉。暫時這么處理，期待有更好的解決方法。

　　5. 源代碼

　　5.1 類圖結構：

　　5.2 使用示例

　　(1) 寫入數(shù)據(jù)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. this.Wrapper.Send(Encoding.ASCII.GetBytes(this.tbxSendText.Text.Trim())); 
    2. 
  
  
  
  
  2. publicoverridevoidSend(byte[] data) 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4. //[0]:填充0，清掉剩余的寄存器 
    5. 
  
  
  
  
  5. if(data.Length <60) 
    6. 
  
  
  
  
  6. { 
    7. 
  
  
  
  
  7. var input = data; 
    8. 
  
  
  
  
  8. data = newByte[60]; 
    9. 
  
  
  
  
  9. Array.Copy(input, data, input.Length); 
    10. 
  
  
  
  
  10. } 
    11. 
  
  
  
  
  11. this.Connect(); 
    12. 
  
  
  
  
  12. Listvalues = newList(255); 
    13. 
  
  
  
  
  13. //[1].Write Header：MODBUS Application Protocol header 
    14. 
  
  
  
  
  14. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier) 
    15. 
  
  
  
  
  15. values.AddRange(newByte[] { 0, 0 });// 
    16. 
  
  
  
  
  16. Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol 
    17. 
  
  
  
  
  17. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((byte)(data.Length + 7)));// 
    18. 
  
  
  
  
  18. 后續(xù)的Byte數(shù)量 
    19. 
  
  
  
  
  19. values.Add(0);// 
    20. 
  
  
  
  
  20. Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose. 
    21. 
  
  
  
  
  21. values.Add((byte)FunctionCode.Write);// 
    22. 
  
  
  
  
  22. Function Code : 16 (Write Multiple Register) 
    23. 
  
  
  
  
  23. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址 
    24. 
  
  
  
  
  24. values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)(data.Length / 2)));//11~12.寄存器數(shù)量 
    25. 
  
  
  
  
  25. values.Add((byte)data.Length);//13.數(shù)據(jù)的Byte數(shù)量 
    26. 
  
  
  
  
  26. //[2].增加數(shù)據(jù) 
    27. 
  
  
  
  
  27. values.AddRange(data);//14~End:需要發(fā)送的數(shù)據(jù) 
    28. 
  
  
  
  
  28. //[3].寫數(shù)據(jù) 
    29. 
  
  
  
  
  29. this.socketWrapper.Write(values.ToArray()); 
    30. 
  
  
  
  
  30. //[4].防止連續(xù)讀寫引起前臺UI線程阻塞 
    31. 
  
  
  
  
  31. Application.DoEvents(); 
    32. 
  
  
  
  
  32. //[5].讀取Response: 寫完后會返回12個byte的結果 
    33. 
  
  
  
  
  33. byte[] responseHeader = this.socketWrapper.Read(12); 
    34. 
  
  
  
  
  34. } 
    35.

(2) 讀取數(shù)據(jù)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. this.tbxReceiveText.Text = Encoding.ASCII.GetString(this.Wrapper.Receive()); 
    2. 
  
  
  
  
  2. publicoverridebyte[] Receive() 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4. this.Connect(); 
    5. 
  
  
  
  
  5. ListsendData = newList(255); 
    6. 
  
  
  
  
  6. //[1].Send
    7. 
  
  
  
  
  7. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier) 
    8. 
  
  
  
  
  8. sendData.AddRange(newByte[] { 0, 0 });//3~4:Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol
    9. 
  
  
  
  
  9. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)6));//5~6:后續(xù)的Byte數(shù)量（針對讀請求，后續(xù)為6個byte） 
    10. 
  
  
  
  
  10. sendData.Add(0);// 
    11. 
  
  
  
  
  11. Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose. 
    12. 
  
  
  
  
  12. sendData.Add((byte)FunctionCode.Read);//8.Function Code : 3 (Read Multiple Register) 
    13. 
  
  
  
  
  13. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址 
    14. 
  
  
  
  
  14. sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)30));//11~12.需要讀取的寄存器數(shù)量 
    15. 
  
  
  
  
  15. this.socketWrapper.Write(sendData.ToArray()); //發(fā)送讀請求 
    16. 
  
  
  
  
  16. //[2].防止連續(xù)讀寫引起前臺UI線程阻塞 
    17. 
  
  
  
  
  17. Application.DoEvents(); 
    18. 
  
  
  
  
  18. //[3].讀取Response Header : 完后會返回8個byte的Response Header22:byte[] receiveData = this.socketWrapper.Read(256);//緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)總量不超過256byte，一次讀256byte，防止殘余數(shù)據(jù)影響下次讀取 
    19. 
  
  
  
  
  19. shortidentifier = (short)((((short)receiveData[0]) <<8) + receiveData[1]); 
    20. 
  
  
  
  
  20. //[4].讀取返回數(shù)據(jù)：根據(jù)ResponseHeader，讀取后續(xù)的數(shù)據(jù) 
    21. 
  
  
  
  
  21. if(identifier != this.CurrentDataIndex) //請求的數(shù)據(jù)標識與返回的標識不一致，則丟掉數(shù)據(jù)包 
    22. 
  
  
  
  
  22. { 
    23. 
  
  
  
  
  23. returnnewByte[0]; 
    24. 
  
  
  
  
  24. } 
    25. 
  
  
  
  
  25. bytelength = receiveData[8];//***一個字節(jié)，記錄寄存器中數(shù)據(jù)的Byte數(shù) 
    26. 
  
  
  
  
  26. byte[] result = newbyte[length]; 
    27. 
  
  
  
  
  27. Array.Copy(receiveData, 9, result, 0, length); 
    28. 
  
  
  
  
  28. returnresult; 
    29. 
  
  
  
  
  29. }
    30.

(3) 測試發(fā)送和讀取：

　　5.3 代碼下載

　　CSharpModBusExample


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