淺談C#使用TCP/IP與ModBus進(jìn)行通訊

作者：Silent Void 2011-07-18 09:47:20

開發(fā) 后端

今天我們將談到工控領(lǐng)域的C#開發(fā)，很感謝本文作者寫出這樣的文章。本文將重點(diǎn)介紹TCP/IP通信方式。

　　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(diǎn)介紹***種通訊方式。第二種方式留了接口，暫時(shí)還沒有實(shí)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(gè)功能碼（十進(jìn)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(gè)字段：

　　(1) Transaction Identifier：事務(wù)ID標(biāo)識，Client每發(fā)送一個(gè)Request數(shù)據(jù)包的時(shí)候，需要帶上該標(biāo)識；當(dāng)Server響應(yīng)該請求的時(shí)候，會(huì)把該標(biāo)識復(fù)制到Response中；這樣客戶端就可以進(jìn)行容錯(cuò)判斷，防止數(shù)據(jù)包發(fā)串了。

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

　　(3) Length：整個(gè)數(shù)據(jù)包中，從當(dāng)個(gè)前這個(gè)字節(jié)之后開始計(jì)算，后續(xù)數(shù)據(jù)量的大小(按byte計(jì)算)。

　　(4) Unit Identifier：

　　3. 大小端轉(zhuǎn)換

　　ModBus使用Big-Endian表示地址和數(shù)據(jù)項(xiàng)。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(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　3.1 判斷大小端

　　對于整數(shù)1，在兩種機(jī)器上有兩種不同的標(biāo)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(zhuǎn)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。

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

3.2 整數(shù)/浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面的代碼對該轉(zhuǎn)換進(jìn)行了封裝，加入了Little-Endian轉(zhuǎn)Big-Endian的處理（以int為例）：

publicclassValueHelper //Big-Endian可以直接轉(zhuǎn)換  
{  
publicvirtualByte[] GetBytes(intvalue)  
{  
returnBitConverter.GetBytes(value);  
}  
publicvirtualintGetInt(byte[] data)  
{  
returnBitConverter.ToInt32(data, 0);  
}  
}  
internalclassLittleEndianValueHelper : ValueHelper //Little-Endian，轉(zhuǎn)換時(shí)需要做翻轉(zhuǎn)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(wù)標(biāo)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(gè)Request數(shù)據(jù)包的時(shí)候，需要帶上一個(gè)標(biāo)識；當(dāng)Server響應(yīng)該請求的時(shí)候，會(huì)把該標(biāo)識復(fù)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(gè)變量及記錄該標(biāo)識：

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

每次Client發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，調(diào)用NextDataIndex()來取得事務(wù)標(biāo)識；接著當(dāng)Client讀取Server的返回值的時(shí)候，需要判斷數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)標(biāo)識是否與發(fā)送時(shí)的標(biāo)志一致；如果一致，則認(rèn)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(yīng)數(shù)據(jù)包中的標(biāo)識，與發(fā)送給Server的數(shù)據(jù)標(biāo)識不一致，則認(rèn)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(cuò)，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(gè)過程沒有問題。但是問題是：如果Server端出錯(cuò)，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(shí)候，數(shù)據(jù)包必然是不正確的，而且會(huì)錯(cuò)誤會(huì)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(shí)，要么全部讀完緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，要么讀到錯(cuò)誤的時(shí)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(gè)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(shí)候，再重新建立Socket連接。

　　回過頭再來看，其實(shí)，在Client與Server進(jìn)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(gè)MBAP Header + 幾十個(gè)寄存器的值。因此，另一個(gè)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(shí)這么處理，期待有更好的解決方法。

　　5. 源代碼

　　5.1 類圖結(jié)構(gòu)：

　　5.2 使用示例

　　(1) 寫入數(shù)據(jù)：

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)));//  
后續(xù)的Byte數(shù)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(shù)量  
values.Add((byte)data.Length);//13.數(shù)據(jù)的Byte數(shù)量  
//[2].增加數(shù)據(jù)  
values.AddRange(data);//14~End:需要發(fā)送的數(shù)據(jù)  
//[3].寫數(shù)據(jù)  
this.socketWrapper.Write(values.ToArray());  
//[4].防止連續(xù)讀寫引起前臺UI線程阻塞  
Application.DoEvents();  
//[5].讀取Response: 寫完后會(huì)返回12個(gè)byte的結(jié)果  
byte[] responseHeader = this.socketWrapper.Read(12);  
}

(2) 讀取數(shù)據(jù)：

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:后續(xù)的Byte數(shù)量（針對讀請求，后續(xù)為6個(gè)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(shù)量  
this.socketWrapper.Write(sendData.ToArray()); //發(fā)送讀請求  
//[2].防止連續(xù)讀寫引起前臺UI線程阻塞  
Application.DoEvents();  
//[3].讀取Response Header : 完后會(huì)返回8個(gè)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  
shortidentifier = (short)((((short)receiveData[0]) <<8) + receiveData[1]);  
//[4].讀取返回?cái)?shù)據(jù)：根據(jù)ResponseHeader，讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)  
if(identifier != this.CurrentDataIndex) //請求的數(shù)據(jù)標(biāo)識與返回的標(biāo)識不一致，則丟掉數(shù)據(jù)包  
{  
returnnewByte[0];  
}  
bytelength = receiveData[8];//***一個(gè)字節(jié)，記錄寄存器中數(shù)據(jù)的Byte數(shù)  
byte[] result = newbyte[length];  
Array.Copy(receiveData, 9, result, 0, length);  
returnresult;  
}