C#-串口通信入门及进阶扩展

目录

一、串口相关参数介绍

1、端口（COM口）

2、波特率（Baud rate）

3、起始位

4、停止位（StopBits）

5、数据位

6、校验位

7、缓存区

二、串口通信助手

三、虚拟串口工具

四、进阶扩展 

1、位运算

2、负数、浮点数存储方式 

3、数据校验算法

3.1、奇偶校验

3.2、LRC

3.3、累加和校验

3.4、CRC

介绍 

常用多项式表

CRC-8

CRC-16

CRC-32

CRC-USB

4、Modbus通信协议

4.1、介绍 

4.2、Modbus-RTU

串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种双向通讯方式。

串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的通信协议，通信协议很多，可根据实际情况选择和自定义。

一、串口相关参数介绍

1、端口（COM口）

CMO口（Communication Module Outlet）是一种用于连接计算机和外部设备的接口，也称为串行端口，简称CMO口，常见串口通讯有一般电脑应用的RS-232（使用 25 针或 9 针连接器）和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工RS-422。

电脑端口查看：设置->系统->关于->设备管理器->端口

2、波特率（Baud rate）

波特率是一个电子信号上的术语，用于描述信道的数据传输速度。

单位是bit/s,常见的9600波特率表示每秒传输9600个比特位，1个字节8位，9600/8=1200，代表每秒钟串口可传输1200个字节（不考虑起始位、停止位、校验位的情况下），注意：

  1. 波特率如果太高会导致传输数据不稳定，一般使用9600；
  2.  发送端与接收端波特率不一致会导致数据不一致；

3、起始位

起始位必须是持续一个比特时间的逻辑0电平，标志传输一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步；

C#开发中一般不需要设置起始位。

4、停止位（StopBits）

停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由软件设定，它一定是逻辑1电平，标志着传输一个字符的结束；

C#开发中一般通过StopBits枚举类型设置停止位，枚举值包括None、One、Two、OnePointFive四种（通常若设备不指定，默认停止位为1位）。

5、数据位

数据位紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定，一般可以是5位、7位或8位；

C#开发中若设备不指定，默认数据位为8位。

6、校验位

校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位；

C#开发中通常使用Parity枚举类型来设置校验位，有五种，日常开发中使用最多的是None无校验、Odd奇校验、Even偶校验。

7、缓存区

串口包括两个缓存区，发送缓存区和接收缓存区；

发送缓存区：(软件)发送数据时将数据先存在发送缓存区，再通过(硬件)串口发送出去;

接收缓存区：接收数据时先将数据存在接收缓存区，(软件)再从中读取数据；

二、串口通信助手

串口通信助手是用于测试和调试串口通信的工具，可通过串口与外部设备通信，提供界面来监视和控制串口数据的接收和发送，从而验证串口通信是否正常工作。

实现一个串口通信助手示例：C#Wpf-实现串口通信助手

分享一个串口通信助手，下载地址：友善串口通信助手

                                        提取码: h64y

三、虚拟串口工具

当电脑无COM口时，使用该工具虚拟出COM口。 

下载地址：VSPD

提取码：a2cp

破解说明：运行vspd.exe 安装，安装后先不运行，将 vspdctl.dll 文件放入工程目录中，覆盖原文件，即完成破解。

使用说明：点击Add Pair按钮添加虚拟COM口连接对，即可。

四、进阶扩展 

1、位运算

符号意义逻辑介绍示例
~逻辑非取反~a
&逻辑与清0a&b
|逻辑或置1a|b
<<按位左移，超出舍掉乘以2的n次方a<<n
>>按位右移，超出舍掉除以2的n次方a>>n
^异或不同置1，相同清0a^b

  三次异或，可使变量值互换，示例如下：

int a = 13;
int b = 20;
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
Console.WriteLine($"a:{a}b:{b}");

2、负数、浮点数存储方式 

负数在计算机中是以补码的形式存储，补码计算方式：

  1. 最高位为符号位，负数符号位为1，正数为0；
  2. 除符号位，所有位取反得到反码；
  3. 反码＋1得到补码；

浮点数一般分为单精度与双精度两种，在计算机中的存储方式通常分为三部分：

  1. 符号位：正数为0，负数为1；
  2. 指数位：用于存储科学计数法中的指数部分；
  3. 小数位：用于表示小数部分，不足补0

单精度float格式：

符号位指数位小数位
1bit8bits23bits

双精度double格式：

符号位指数位小数位
1bit11bits52bits

float示例：

8.25转化为二进制表示为：整数部分除2取余，小数部分乘2取整，得到1000.01

科学计数法表示为：1.00001*2的3次方，指数为3（指数范围为-126-127），为消除负数影响，得到的指数＋127，得130，即指数1000 0010，小数：00001，存储格式如下： 

符号位指数位小数位
01000 0010000 0100 0000 0000 0000 0000

3、数据校验算法

由于数据传输距离的因素影响，计算机和受控设备间的通信数据常常出现不可预知的错误，为了避免错误带来的影响，通常会在通信时对数据进行校验。

3.1、奇偶校验

每8位加一个奇偶校验位，

奇校验：若数据位中1的数量为偶数，则校验位置1凑齐奇数个1，反之置0；

偶校验：若数据为中1的数量为奇数，则校验位置1凑齐偶数个1，反之置0；

缺点：减慢传输速率，偶数个错误时检测不出（出错率五五开）；

3.2、LRC

纵向冗余校验（Longitudinal Redundancy Check，LRC），又称逐字节奇偶校验，将数据依字节为单位纵向排列，所有字节相同位全部异或（奇数个1为1，反之为0），计算出一个字节的结果。

缺点：纵向偶数个错误时检测不出；

3.3、累加和校验

将数据的每个字节的值相加，其结果减去255的倍数（控制在0-255区间），然后放在数据最后，接收方接收数据后累加和后与校验值比对；

单个字符出错率1/256

3.4、CRC
介绍 

CRC，循环冗余校验，使用的算法思想为除法，将余数作为校验值放在数据末尾；

模二除法（二进制的除法），CRC实际就是模二除法的升级版，通过借位（位移），将余数补在原数据末尾，以此来消掉余数。（接收端将修改后的数据与生成项模二相除没有余数即代表数据无误）

CRC除数叫生成多项式，又称生成项，不同的生成项有不同的CRC，如：CRC8、CRC16、CRC-USB、CRC32……。（二进制转多项式：数字中多少位1代表的是x的多少次方）

模二除法举例： 

模二借位举例：

常用多项式表

CRC-8

CRC-8，8位校验码，适用于对数据简单校验的场景，常见的应用领域包括遥控器、智能家居等，示例如下：

    public static byte CalcCrc8(byte[] data)
    {
        byte crc = 0x00;
        byte polynomial = 0x8C; // CRC-8 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= b;
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x80) != 0)
                {
                    crc = (byte)((crc << 1) ^ polynomial);
                }
                else
                {
                    crc <<= 1;
                }
            }
        }
        return crc;
    }
CRC-16

CRC-16，16位校验码，适用于中等程度校验场景，常见的应用领域包括Modbus通信协议、SD卡存储等，示例如下：

    public static ushort CalcCrc16(byte[] data)
    {
        ushort crc = 0xFFFF;
        ushort polynomial = 0xA001; // CRC-16 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= (ushort)(b << 8);
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x01) == 0x01)
                {
                    crc >>= 1;
                    crc ^= polynomial;
                }
                else
                {
                    crc >>= 1;
                }
            }
        }
        return crc;
    }
CRC-32

CRC-32，32位校验码，适用于对数据需高强度校验的场景，常见的应用领域包括网络通信、文件传输、数据库存储等，示例如下：

    public static uint CalcCrc32(byte[] data)
    {
        uint crc = 0xFFFFFFFF;
        uint polynomial = 0xEDB88320; // CRC-32 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= b;
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x00000001) != 0)
                {
                    crc = (crc >> 1) ^ polynomial;
                }
                else
                {
                    crc >>= 1;
                }
            }
        }
        return ~crc;
    }
CRC-USB

CRC-USB，CRC特殊算法之一，适用于USB接口，例如USB 1.1、USB 2.0等协议中的数据校验，示例如下： 

    public static uint CalcCrcUsb(byte[] data)
    {
        uint crc = 0xFFFFFFFF;
        uint polynomial = 0x04C11DB7; // USB 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= (uint)(b << 24);
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x80000000) != 0)
                {
                    crc = (crc << 1) ^ polynomial;
                }
                else
                {
                    crc <<= 1;
                }
            }
        }
        return ~crc;
    }

4、Modbus通信协议

4.1、介绍 

Modbus，串行通信协议，属于OSI七层模型中的应用层，最初设计用于可编程逻辑控制器（PLC），Modbus是一种开放式协议，物理层支持使用RS232/RS485/RS422协议的串行设备，同时还支持调制解调器；

Modbus通过设备之间的串行线进行数据传输，最简单的设置是使用一根串行电缆连接两个设备（主设备和从设备）上的串行端口；

Modbus遵循主从模式通信，实现主站与一个(单播)或多个(广播)从站交换报文数据，通信由主机发起，一问一答式，从设备无法主动向主机发送数据。

常用类别有Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP，这里主要介绍Modbus-RTU；

4.2、Modbus-RTU

报文格式：

地址码功能码数据CRC-16
1字节1字节n字节2字节

地址码：0为主机广播地址，1-247为从机地址，248-255保留；

功能码：常用功能码如下表：

代码

名称

作用

01

读取线圈状态

取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)

02

读取输入状态

取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF)

03

读取保持寄存器

在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值

04

读取输入寄存器

在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值

05

强置(写)单线圈

强置一个逻辑线圈的通断状态

06

预置(写)单寄存器

放置一个特定的二进制值到一个单寄存器中

07

读取异常状态

取得8个内部线圈的通断状态

15

强置(写)多线圈

强置一串连续逻辑线圈的通断

16

预置(写)多寄存器

放置一系列特定的二进制值到一系列多寄存器中

17

报告从机标识

可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态

数据：通常包括起始地址、数据长度或数据，都为大端模式（低位存于高地址）；

CRC校验：通常使用16位校验码，采用小端模式（低位存于低地址）；

Modbus-Rtu报文封装示例（仅供参考）：

        /// <summary>
        /// MODEBUS_RTU通信数据
        /// </summary>
        /// <param name="devadress">地址码</param>
        /// <param name="funccode">功能码</param>
        /// <param name="paraadress">读/写参数代号地址（起始地址）</param>
        /// <param name="value">读取数据长度或写数据值</param>
        /// <returns></returns>
        public static List<byte> GetModbusData(byte devadress, byte funccode, int paraadress, int value)
        {
            List<byte> data = new List<byte>()
            {
                devadress,
                funccode,
            };

            var high = (paraadress & 0xFF00) >> 8;//高8位
            var low = paraadress & 0xFF;//低8位
            data.Add(Convert.ToByte(high));
            data.Add(Convert.ToByte(low));

            high = (value & 0xFF00) >> 8;
            low = value & 0xFF;
            data.Add(Convert.ToByte(high));
            data.Add(Convert.ToByte(low));

            var res = Crc16.CRC16(data.ToArray());//16位校验
            high = (res & 0xFF00) >> 8;
            low = res & 0xFF;
            data.Add(Convert.ToByte(low));
            data.Add(Convert.ToByte(high));

            return data;
        }

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