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这个世界的问题在于聪明人充满疑惑,而傻子们坚信不疑。--罗素
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1. ModBus的 Client/Server模型
2. 数据包格式及MBAP header (MODBUS Application Protocol header)
3. 大小端转换
4. 事务标识和缓冲清理
5. 示例代码

 

0. MODBUS MESSAGING ON TCP/IP IMPLEMENTATION GUIDE

    下载地址:http://www.modbus.org/docs/Modbus_Messaging_Implementation_Guide_V1_0b.pdf

 

1. ModBus的 Client/Server模型

 image

    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),本文重点介绍第一种通讯方式。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

image

    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

    image

    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

Endian

    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*),最后再取该指针的值;若得到的byte值为1,则为Little-Endian,否则为Big-Endian。

   1: unsafe
   2: {
   3:     int tester = 1;
   4:     bool littleEndian = (*(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: public class ValueHelper //Big-Endian可以直接转换
   2: {
   3:         public virtual Byte[] GetBytes(int value)
   4:         {
   5:             return BitConverter.GetBytes(value);
   6:         }
   7:         public virtual int GetInt(byte[] data)
   8:         {
   9:             return BitConverter.ToInt32(data, 0);
  10:         }
  11: }
  12:  
  13: internal class LittleEndianValueHelper : ValueHelper //Little-Endian,转换时需要做翻转处理。
  14: {
  15:         public override Byte[] GetBytes(int value)
  16:         {
  17:             return this.Reverse(BitConverter.GetBytes(value));
  18:         }
  19:         public virtual int GetInt(byte[] data)
  20:         {
  21:             return BitConverter.ToInt32(this.Reverse(data), 0);
  22:         }
  23:         private Byte[] Reverse(Byte[] data)
  24:         {
  25:             Array.Reverse(data);
  26:             return data;
  27:         }
  28: }

 

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: private byte dataIndex = 0;
   2:  
   3: protected byte CurrentDataIndex
   4: {
   5:        get { return this.dataIndex; }
   6: }
   7:  
   8: protected byte NextDataIndex()
   9: {
  10:        return ++this.dataIndex;
  11: }

   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:

ClassDiagram1

 

5.2 使用示例

(1) 写入数据:

   1: this.Wrapper.Send(Encoding.ASCII.GetBytes(this.tbxSendText.Text.Trim()));
   2:  
   3: public override void Send(byte[] data)
   4: {
   5:     //[0]:填充0,清掉剩余的寄存器
   6:     if (data.Length < 60)
   7:     {
   8:         var input = data;
   9:         data = new Byte[60];
  10:         Array.Copy(input, data, input.Length);
  11:     }
  12:     this.Connect();
  13:     List<byte> values = new List<byte>(255);
  14:  
  15:     //[1].Write Header:MODBUS Application Protocol header
  16:     values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier)
  17:     values.AddRange(new Byte[] { 0, 0 });//3~4:Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol
  18:     values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((byte)(data.Length + 7)));//5~6:后续的Byte数量
  19:     values.Add(0);//7:Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose.
  20:     values.Add((byte)FunctionCode.Write);//8.Function Code : 16 (Write Multiple Register)
  21:     values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址
  22:     values.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)(data.Length / 2)));//11~12.寄存器数量
  23:     values.Add((byte)data.Length);//13.数据的Byte数量
  24:  
  25:     //[2].增加数据
  26:     values.AddRange(data);//14~End:需要发送的数据
  27:  
  28:     //[3].写数据
  29:     this.socketWrapper.Write(values.ToArray());
  30:  
  31:     //[4].防止连续读写引起前台UI线程阻塞
  32:     Application.DoEvents();
  33:  
  34:     //[5].读取Response: 写完后会返回12个byte的结果
  35:     byte[] responseHeader = this.socketWrapper.Read(12);
  36: }

(2) 读取数据:

   1: this.tbxReceiveText.Text = Encoding.ASCII.GetString(this.Wrapper.Receive());
   2:  
   3:         public override byte[] Receive()
   4:         {
   5:             this.Connect();
   6:             List<byte> sendData = new List<byte>(255);
   7:  
   8:             //[1].Send
   9:             sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2.(Transaction Identifier)
  10:             sendData.AddRange(new Byte[] { 0, 0 });//3~4:Protocol Identifier,0 = MODBUS protocol
  11:             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)
  12:             sendData.Add(0);//7:Unit Identifier:This field is used for intra-system routing purpose.
  13:             sendData.Add((byte)FunctionCode.Read);//8.Function Code : 3 (Read Multiple Register)
  14:             sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes(StartingAddress));//9~10.起始地址
  15:             sendData.AddRange(ValueHelper.Instance.GetBytes((short)30));//11~12.需要读取的寄存器数量
  16:             this.socketWrapper.Write(sendData.ToArray()); //发送读请求
  17:  
  18:             //[2].防止连续读写引起前台UI线程阻塞
  19:             Application.DoEvents();
  20:  
  21:             //[3].读取Response Header : 完后会返回8个byte的Response Header
  22:             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
  23:             short identifier = (short)((((short)receiveData[0]) << 8) + receiveData[1]);
  24:  
  25:             //[4].读取返回数据:根据ResponseHeader,读取后续的数据
  26:             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
  27:             {
  28:                 return new Byte[0];
  29:             }
  30:             byte length = receiveData[8];//最后一个字节,记录寄存器中数据的Byte数
  31:             byte[] result = new byte[length];
  32:             Array.Copy(receiveData, 9, result, 0, length);
  33:             return result;
  34:         }
(3) 测试发送和读取:

DataPackage

ModBus-TCP Client Tool(可以从网上下载,用来测试)中,可以点击“Edit Values”,修改寄存器中的值;然后再在测试程序中,点击“接收”,可以解析到修改后的值。这里只是测试发送和接收字符串,如果需要处理复杂的数字/字符串组合啥的,就需要自己定义数据格式和解析方式了。

5.3 代码下载

CSharpModBusExample

 

posted on 2011-07-17 23:28 Silent Void 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏