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淺談C#使用TCP/IP與ModBus進行通訊

編輯：關於C語言

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)，本文重點介紹第一種通訊方式。第二種方式留了接口，暫時還沒有實現。

2. 數據包格式及MBAP header (MODBUS Application Protocol header)

2.1 數據包格式

數據交換過程中，數據包的格式由三部分組成：協議頭 + 功能碼 + 數據(請求或接受的數據)。

這裡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

協議頭具體包括下列4個字段：

(1) Transaction Identifier：事務ID標識，ClIEnt每發送一個Request數據包的時候，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，防止數據包發串了。

(2) Protocal IdentifIEr：協議標識，ModBus協議中，該值為0；

(3) Length：整個數據包中，從當個前這個字節之後開始計算，後續數據量的大小(按byte計算)。

(4) Unit IdentifIEr：

3. 大小端轉換

ModBus使用Big-Endian表示地址和數據項。因此在發送或者接受數據的過程中，需要對數據進行轉換。

3.1 判斷大小端

對於整數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*)，最後再取該指針的值；若得到的byte值為1，則為Little-Endian，否則為Big-Endian。

unsafe 
{  
inttester = 1;  
boollittleEndian = (*(byte*)(&tester)) == (byte)1;  
}

3.2 整數/浮點數轉換成Byte數組

.Net提供了現成的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）：

publicclassValueHelper //Big-Endian可以直接轉換  
{  
publicvirtualByte[] GetBytes(intvalue)  
{  
returnBitConverter.GetBytes(value);  
}  
publicvirtualintGetInt(byte[] data)  
{  
returnBitConverter.ToInt32(data, 0);  
}  
}  
internalclassLittleEndianValueHelper : ValueHelper //Little-Endian，轉換時需要做翻轉處理。  
{  
publicoverrideByte[] GetBytes(intvalue)  
{  
returnthis.Reverse(BitConverter.GetBytes(value));  
}  
publicvirtualintGetInt(byte[] data)  
{  
returnBitConverter.ToInt32(this.Reverse(data), 0);  
}  
privateByte[] Reverse(Byte[] data)  
{  
Array.Reverse(data);  
returndata;  
}  
}

4. 事務標識和緩沖處理

4.1 Transaction IdentifIEr

上面2.2節中提到，Client每發送一個Request數據包的時候，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就可以用來判斷數據包有沒有發串。在程序中，可以可以用一個變量及記錄該標識：

privatebytedataIndex = 0;  
 protectedbyteCurrentDataIndex  
{  
get { returnthis.dataIndex; }  
}  
protectedbyteNextDataIndex()  
{  
return++this.dataIndex;  
}

每次Client發送數據的時候，調用NextDataIndex()來取得事務標識；接著當ClIEnt讀取Server的返回值的時候，需要判斷數據包中的數據標識是否與發送時的標志一致；如果一致，則認為數據包有效；否則丟掉無效的數據包。

4.2 緩沖處理

上節中提到，如果ClIEnt接收到的響應數據包中的標識，與發送給Server的數據標識不一致，則認為Server返回的數據包無效，並丟棄該數據包。

如果只考慮正常情況，即數據木有差錯，Client每次發送請求後，其請求包裡面包含需要讀取的寄存器數量，能算出從Server返回的數據兩大小，這樣就能確定讀完Server返回的所有緩沖區中的數據；每次交互後，Socket緩沖區中都為空，則整個過程沒有問題。但是問題是：如果Server端出錯，或者數據串包等異常情況下，ClIEnt不能確定Server返回的數據包(占用的緩沖區)有多大；如果緩沖區中的數據沒有讀完，下次再從緩沖區中接著讀的時候，數據包必然是不正確的，而且會錯誤會一直延續到後續的讀取操作中。

因此，每次讀取數據時，要麼全部讀完緩沖區中的數據，要麼讀到錯誤的時候，就必須清楚緩沖區中剩余的數據。網上搜了半天，木有找到Windows下如何清理Socket緩沖區的。有篇文章倒是提到一個狠招，每次讀完數據後，直接把Socket給咔嚓掉；然後下次需要讀取或發送數據的時候，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每次返回的數據量都不大，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據(多過緩沖區中的數據量)，多讀的內容，再忽略掉。暫時這麼處理，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) 寫入數據：

this.Wrapper.Send(Encoding.ASCII.GetBytes(this.tbxSendText.Text.Trim()));  
publicoverridevoidSend(byte[] data)  
{  
//[0]:填充0，清掉剩余的寄存器  
if(data.Length <60)  
{  
var input = data;  
data = newByte[60];  
Array.Copy(input, data, input.Length);  
}  
this.Connect();  
List<byte>values = newList<byte>(255);  
//[1].Write Header：MODBUS Application Protocol header  
values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction IdentifIEr)  
values.AddRange(newByte[] { 0, 0 });//  
Protocol IdentifIEr,0 = MODBUS protocol  
values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((byte)(data.Length + 7)));//  
後續的Byte數量  
values.Add(0);//  
Unit Identifier:This fIEld is used for intra-system routing purpose.  
values.Add((byte)FunctionCode.Write);//  
Function Code : 16 (Write Multiple Register)  
values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址  
values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)(data.Length / 2)));//11~12.寄存器數量  
values.Add((byte)data.Length);//13.數據的Byte數量  
//[2].增加數據  
values.AddRange(data);//14~End:需要發送的數據  
//[3].寫數據  
this.socketWrapper.Write(values.ToArray());  
//[4].防止連續讀寫引起前台UI線程阻塞  
Application.DoEvents();  
//[5].讀取Response: 寫完後會返回12個byte的結果  
byte[] responseHeader = this.socketWrapper.Read(12);  
}

(2) 讀取數據：

this.tbxReceiveText.Text = Encoding.ASCII.GetString(this.Wrapper.Receive());  
publicoverridebyte[] Receive()  
{  
this.Connect();  
List<byte>sendData = newList<byte>(255);  
//[1].Send
sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction IdentifIEr)  
sendData.AddRange(newByte[] { 0, 0 });//3~4:Protocol IdentifIEr,0 = MODBUS protocol
sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)6));//5~6:後續的Byte數量（針對讀請求，後續為6個byte）  
sendData.Add(0);//  
Unit Identifier:This fIEld is used for intra-system routing purpose.  
sendData.Add((byte)FunctionCode.Read);//8.Function Code : 3 (Read Multiple Register)  
sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址  
sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)30));//11~12.需要讀取的寄存器數量  
this.socketWrapper.Write(sendData.ToArray()); //發送讀請求  
//[2].防止連續讀寫引起前台UI線程阻塞  
Application.DoEvents();  
//[3].讀取Response Header : 完後會返回8個byte的Response Header22:byte[] receiveData = this.socketWrapper.Read(256);//緩沖區中的數據總量不超過256byte，一次讀256byte，防止殘余數據影響下次讀取  
shortidentifIEr = (short)((((short)receiveData[0]) <<8) + receiveData[1]);  
//[4].讀取返回數據：根據ResponseHeader，讀取後續的數據  
if(identifIEr != this.CurrentDataIndex) //請求的數據標識與返回的標識不一致，則丟掉數據包  
{  
returnnewByte[0];  
}  
bytelength = receiveData[8];//最後一個字節，記錄寄存器中數據的Byte數  
byte[] result = newbyte[length];  
Array.Copy(receiveData, 9, result, 0, length);  
returnresult;  
}