Modbus协议详解与c#应用

Modbus协议简介

Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）于1979年开发，用于工业自动化系统中设备之间的通信。它采用主从架构，支持多种传输方式（如RTU、ASCII、TCP），广泛应用于PLC、传感器、仪表等工业设备的数据交换

Modbus具有以下几个特点:

1、标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。

2、Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

3、Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单

Modbus协议类型

Modbus RTU：二进制格式，通过串口（RS-232/RS-485）传输，数据紧凑，效率高。
Modbus ASCII：文本格式，可读性高，但传输效率低于RTU。
Modbus TCP：基于以太网传输，使用TCP/IP协议栈，适用于现代网络环境。

Modbus功能码

常用功能码包括：

01 (0x01)：读取线圈状态（离散量输出）。
02 (0x02)：读取输入离散量（输入触点）。
03 (0x03)：读取保持寄存器（可读写寄存器）。
04 (0x04)：读取输入寄存器（只读寄存器）。
05 (0x05)：写单个线圈。
06 (0x06)：写单个寄存器。
15 (0x0F)：写多个线圈。
16 (0x10)：写多个寄存器。

主机发送的数据为地址 + 功能码 + 数据 + 校验

回复的数据格式

Modbus请求帧格式

Modbus RTU
- 采用二进制编码，数据紧凑，传输效率高。
- 通过串行接口（如RS-485/RS-232）传输，需配置波特率、奇偶校验等参数。
- 帧格式：[设备地址][功能码][数据][CRC校验]。
- CRC校验为2字节，低字节在前。

Modbus ASCII
- 使用ASCII字符表示数据，可读性强但效率较低。
- 帧以冒号（:）开头，以回车换行（CR/LF）结尾。
- 帧格式：:[设备地址][功能码][数据][LRC校验]CR/LF。
- LRC校验为1字节，转换为ASCII字符。

Modbus TCP帧格式

基于TCP/IP协议，通过以太网传输，默认端口502。

报文头 ：[事务标识符][协议标识符][长度][设备地址][功能码][数据]
- 事务标识符：2字节，用于请求/响应匹配。
- 协议标识符：2字节（Modbus固定为0）。
- 长度：2字节，表示后续字节数。

C#实现Modbus通信

使用NModbus库

NModbus是流行的C# Modbus库，支持RTU和TCP协议。

cs 复制代码

ModbusMaster master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort);  // modbusRtu协议的主机对象
ModbusMaster master = ModbusSerialMaster.CreateAscii(serialPort);  // modbusAscii协议的主机对象
ModbusMaster master = ModbusIpMaster.CreateIp(tcpClient);  // modbusTcp协议的主机对象
ModbusMaster master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(tcpClient);    // modbusRtu over tcp 协议的主机对象（modbusRtc转tcp）
ModbusMaster master = ModbusSerialMaster.CreateAscii(tcpClient);  // modbusAscii over tcp 协议的主机对象（modbusRtc转tcp）

cs 复制代码

读写操作

* `ReadCoils(Byte, UInt16, UInt16)` 读线圈
* `ReadHoldingRegisters(Byte, UInt16, UInt16)` 读保持寄存器
* `ReadInputRegisters(Byte, UInt16, UInt16) `读输入寄存器
* `ReadInputs(Byte, UInt16, UInt16)` 读输入线圈
* `ReadWriteMultipleRegisters(Byte, UInt16, UInt16, UInt16, array<uint16>[]()[])` 在单个Modbus事务中执行一个读取操作和一个写入操作的组合。写入操作在读取之前执行。
* `WriteMultipleCoils(Byte, UInt16, array<boolean>[]()[])` 强制修改线圈状态
* `WriteMultipleRegisters(Byte, UInt16, array<uint16>[]()[])` 写多个线圈
* `WriteSingleCoil(Byte, UInt16, Boolean)` 写单个线圈
* `WriteSingleRegister(Byte, UInt16, UInt16)` 写单个保持寄存器

读取其他类型

ModbusUtility这个类中提供了一系列将ushort数组转换为其他数据类型的方法

GetSingle(UInt16, UInt16)将两个ushort转换为float类型
GetUInt32(UInt16, UInt16)将两个ushort转换为uint类型

安装库

通过NuGet安装：

bash 复制代码

Install-Package NModbus

Modbus TCP

cs 复制代码

using Modbus.Device;
using System.Net.Sockets;

// 创建TCP客户端
TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 502);
ModbusIpMaster master = ModbusIpMaster.CreateIp(client);

// 读取保持寄存器（功能码03）
ushort[] registers = master.ReadHoldingRegisters(0, 10); // 从地址0读取10个寄存器

// 写入单个寄存器（功能码06）
master.WriteSingleRegister(1, 1234); // 向地址1写入值1234

client.Close();

Modbus RTU

cs 复制代码

using Modbus.Serial;
using System.IO.Ports;

// 配置串口
SerialPort port = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
port.Open();
ModbusSerialMaster master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(port);

// 读取线圈状态（功能码01）
bool[] coils = master.ReadCoils(1, 0, 10); // 从设备地址1的地址0读取10个线圈

port.Close();

注意事项

超时处理：网络或串口通信需设置超时机制。
数据解析：寄存器数据需根据设备文档解析（如大端/小端）。
错误码：响应帧中功能码最高位为1表示错误（如异常码01表示非法功能）。