文章目录
- 一、串口通信与温湿度项目实战
- 1、学习串口通信硬件：巩固RS-485串口硬件和通信基础知识
- 1.1、串行通信的数据流和格式
- 1.2、串口通信参数设置
- 1.3、modbus协议基础
- 1.4、数据存储和功能代码
- 1.5、modbus通信报文分析
- 2、主-从通信仿真测试
- 2.1、组件设计
- 2.2、创建温湿度测试项目
- 2.3、添加控制台项目Modbus_base用于测试
- 2.4、将功能封装成类库moudbusRTU通信库
- 2.5、用通信库完成项目开发
一、串口通信与温湿度项目实战
仿真软件
modbus poll 、modbus slave、虚拟串口软件
下载网址：https://blog.csdn.net/hanhui22/article/details/108344006
xcom串口助手
下载网址：https://blog.csdn.net/mshlc0728/article/details/109472277
1、学习串口通信硬件：巩固RS-485串口硬件和通信基础知识
1.1、串行通信的数据流和格式
原理：串行通信是将字节byte拆分成一个个的位bit后，在传输出去，收到数据的一方，再将这些位组合成原来的字节。要求传输格式必须统一，传输方式（节拍）必须一致。
起始位：通常用0表示，位于字符帧开头
数据位：通常包括5到8位数据，在起始位之后，先发送低位，后发送高位
奇偶校验位：用来检验数据传输过程中的是否有错误，站一位，包括偶校验（O）奇校验（E）无校验（N）
停止位：通常用1表示，便于接收端确定下一帧的起始位
1.2、串口通信参数设置
波特率： 表示每秒传输的位（比特，bit)的个数，也就是没秒传输的0和1的个数。常见波特率：4800b/s、9600b/s、19200b/s、38400b/s、115200b/s
串行通信格式（单字节协议）：常用：（9600，N，8，1）波特率9600b/s，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位
1.3、modbus协议基础
通信协议：不同设备之间交换数据要遵循的规范。就好比人与人之间交流用的语言，必须要有语法。通常情况下，串行通信遵守Modbus协议，串口硬件（RS-232、RS-485、RS-422）都是按照Modbus协议。但是Modbus也可以用于以太网TCP/IP通信。
modbus与串口关系：1、串行通信物理接口：RS-232、RS-485、RS-422接口，是硬件。2、Modbus是国际标准的串行通信协议，是软件。
modbus与串行通信的关系：
1、前面所讲串行通信格式：表示一个字节的传输协议（9600，N，8,1），实际应用中数据传送都是多个串行字节组合到一起。问题：如何识别多个字节？也就是对多个串行字节传输和解析的标准怎么规定？Modbus就是这个作用。
2、Modbus：就是如何用串口一次连续传输多个有序字节的协议。它规定了一次发送多少给字节，以及字节顺序如何排列。
modbus网络传输的三种模式：
1、ASCII模式：MG标准信息交换码（0-9，a-z，A-Z），数据中的每8个位的字节都用ASCII码发送。
2、RTU模式：（Remote Terminal Unit，RTU)远程终端单元模式通信，针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的通信结构，特点：消息中每个8 bit的字节都包含量4bit的十六进制字符。
3、TCP模式：通过以太网和互联网连接传输数据使用的是TCP/IP协议，称为TCP模式，硬件接口就是以太网接口
Modbus RTU消息帧格式
注意：3.5字符时间间隔是作区别前后两帧数据的分隔符，只针对RTU模式有效。
计算： 串行通信中，一个字符包括：1个起始位+8个数据位+1个校验位（可选）+1个停止位（一般情况）这样，一个字符帧就包括11位，3.5个字符就是3.5*11=38.5位
地址域：用来定位设备。一个字节的从站地址，范围是：1~247
功能码：指定存储区域的操作类型。1个字节构成，取值范围是：1~255（十进制）
1.4、数据存储和功能代码
线圈和寄存器
电气控制中，接触器和中间继电器都是靠得电和失电来控制触点闭合（1）和断开（0）实现两种状态。所以，用线圈表示布尔量（1/0）。寄存器在计算机中就是用来存储数据的，所以，非布尔量的数据，放到寄存器中。
读写类型
以西门子PLC为例，I和Q都表示线圈，但是他们的分工是不同的，I表示输入，Q表示输出，输入意味着该存储区里的值必须由外部设备接入，是只读的；输出表示输出结果给外部设备，是可读可写的。
设备地址：一般采用10进制，一般是5位，第一位表示寄存器类型。
Modbus协议地址：指通信时使用的寄存器寻址地址。注意：设备地址是40001对应寻址地址就是0x0000；40002对应0x0001
功能码
用来表示不同区域，执行不同的读写操作，读写2种操作，存储区4个，但是输入线圈和输入寄存器只能读取，不能写入，出去这两种，会有6种不同的操作，但是对写入操作又做了两种细分，最后形成了8种具体操作
1.5、modbus通信报文分析
读取保持/输出寄存器，功能码：03H用于输出参数或者设备设定的参数，AO模拟量输出 类型：字
说明：一个寄存器就是一个字，一个字包含两个字节（16位11111111 11111111，最大值是65535）
设备文档
Tx:019-01 03 00 00 00 02 C4 0B
Rx:020-01 03 04 00 FE 00 AF DB BF
询问帧：01地址码 03功能码 0000起始地址 0002数据长度 C40B 校验码
应答帧：01地址码 03 功能码 04应答码 00FE温度值 00AF湿度值
串口助手调试：
主站发送：01 03 00 00 00 02 C4 0B 从站响应：01 03 04 00 7B 02 4D 4B 7F
主站发送的消息（01 03 00 00 00 02 C4 0B）：
- 01：设备地址（Slave Address），表示目标从设备的地址是
1。 - 03：功能码（Function Code），表示读取保持寄存器（Read Holding Registers）。功能码
0x03通常用于请求从设备的保持寄存器。 - 00 00：起始地址（Starting Address）。表示读取从地址
0x0000开始的寄存器。 - 00 02：读取的寄存器数量（Number of Registers）。这里请求读取
2个寄存器。 - C4 0B：校验和（CRC）。这是消息的 CRC 校验码，确保消息在传输中没有错误。
返回的响应（01 03 04 00 7B 02 4D 4B 7F ）：
- 01：设备地址（Slave Address）。表示返回响应的从设备是
1。 - 03：功能码（Function Code）。与请求的功能码一致，表示是 读取保持寄存器 的响应。
- 04：字节数（Byte Count）。这里返回
4个字节的数据（即 2 个寄存器，每个寄存器占 2 字节）。 - 00 7B：第一个寄存器的数据。表示第一个寄存器的值是
0x007B，即十进制的123。 - 02 4D：第二个寄存器的数据。表示第二个寄存器的值是
0x004D，即十进制的77。 - 4B 7F：这部分应该是额外的或校验错误的部分，可能与消息的 CRC 校验码或数据一致性有关，具体要看通讯协议的要求。
2、主-从通信仿真测试
只给出大概的步骤，具体步骤看课程
2.1、组件设计
创建一个类库用于组件设计
设置控件的属性：
//设置温湿度显示
private int barHight=188;
public double setValue
{
set{
if (value < 0 || value > 70)
{
MessageBox.Show("温度值必须在0到70之间");
}
else
{
//实际值显示的高度
double realValue = barHight - (barHight / 70.0)*value;
//上面空白部分遮罩高度
this.whiteBar.Height = Convert.ToInt32(realValue);
}
}
}
//设置温湿度背景颜色
public BgColor bgColor;
public BgColor SetBgColor
{
get { return bgColor; }
set
{
if (value == BgColor.Green)
{
this.panel1.BackgroundImage = Properties.Resources.one;
}
else
{
this.panel1.BackgroundImage = Properties.Resources.two;
}
bgColor = value;
}
}
C#使用Resources资源文件，添加图片资源https://blog.csdn.net/weixin_44710358/article/details/144627373
2.2、创建温湿度测试项目
创建windows窗体应用
右键控件项目生成，在温湿度控制项目会生成上面完成的组件
2.3、添加控制台项目Modbus_base用于测试
static void Main(string[] args)
{
SerialPort serialPort = new SerialPort();
//设置96N81
serialPort.PortName="COM2";
serialPort.BaudRate = 9600;
serialPort.Parity = Parity.None;
serialPort.DataBits = 8;
serialPort.StopBits = StopBits.One;
//打开串口
serialPort.Open();
while (true)
{
Thread.Sleep(2000);
//创建字节数组，拼接报文
List<byte> sendBits = new List<byte>();
sendBits.Add(0x01);//站地址
sendBits.Add(0x03);//功能码
sendBits.Add(0x00);//起始寄存器高位
sendBits.Add(0x00);//低位
sendBits.Add(0x00);//寄存器数量高位
sendBits.Add(0x02);//低位
sendBits.Add(0xC4);//CRC校验
sendBits.Add(0x0B);
//发送报文
serialPort.Write(sendBits.ToArray(), 0, sendBits.Count);//发送字节数组，偏移量为0
//接收报文
Thread.Sleep(100);//延迟100毫秒
byte[] saveBits = new byte[serialPort.BytesToRead];//获取缓冲区字节数
serialPort.Read(saveBits, 0, saveBits.Length);//接收缓冲区全部的字节
//验证接收数据
if (saveBits[0] == 0x01)
{
//观察报文01 03 04 00 7B 02 4D 4B 7F
//接收报文1 3 4 00 123 2 77 75 127
//数据索引0 1 2 3 4 5 6 7 8
//字节到10进制高低位转换：
//123 和 589 如何转换的 123 和 2 77
// 123/256 + 123%256 589/256 + 589%256
//转换成温度、湿度（1个高字节*256+一个低字节）=十进制数
int humidity = saveBits[3] * 256 + saveBits[4];
int temperature = saveBits[5] * 256 + saveBits[6];
Console.WriteLine($"湿度{humidity * 0.1}%" + $"温度{temperature * 0.1}℃");
}
}
}
2.4、将功能封装成类库moudbusRTU通信库
功能实现：将功能的实现分为字段、构造方法、属性、方法
namespace Modbus_RTU
{
/// <summary>
/// moudbusRTU通信库
/// </summary>
public class modbusRTU
{
//串口对象
private SerialPort serialPort = null;
//构造方法
public modbusRTU()
{
}
/// <summary>
/// 接收构造方法
/// </summary>
/// <param name="delay">接收报文延迟</param>
public modbusRTU(int delay)
{
this.ReceiveDelay = delay;
}
//属性
//private int ReceiveDelay { get; set; }没有对数据进行限制
private int _receiveDelay = 100;
public int ReceiveDelay
{
get { return _receiveDelay; }
set
{
if (value < 10||value>2000)//根据实际情况定义
{
_receiveDelay = 100;
}
else
{
_receiveDelay = value;
}
}
}
//方法
//打开串口
/// <summary>
/// 打开串口
/// </summary>
/// <param name="portName">串口号</param>
/// <param name="baudRate">波特率</param>
/// <param name="parity">校验位</param>
/// <param name="dataBits">数据位</param>
/// <param name="stopBits">停止位</param>
public void Connect(string portName,int baudRate=9600,Parity parity=Parity.None,int dataBits=8,StopBits stopBits=StopBits.One)
{
//实例化串口对象
serialPort = new SerialPort(portName, baudRate, parity, dataBits, stopBits);
try
{
serialPort.Open();
}
catch (Exception e)
{
throw new Exception("串口打开失败"+e);
}
}
//关闭串口
public void DisConnect()
{
if (serialPort!=null && serialPort.IsOpen)
{
serialPort.Close();
}
}
//读取保存寄存器数据
/// <summary>
/// 读取保存寄存器
/// </summary>
/// <param name="slaveId">从站id</param>
/// <param name="startAddress">寄存器起始地址</param>
/// <param name="count">寄存器数量</param>
/// <returns>返回只有数据的数组</returns>
/// <exception cref="Exception"></exception>
public byte[] ReadData(byte slaveId,int startAddress,int count)
{
//第一封装请求报文
byte[] sendBytes = new byte[8];
sendBytes[0] = slaveId;
sendBytes[1] = 0x03;
sendBytes[2] = (byte)(startAddress / 256);
sendBytes[3] = (byte)(startAddress % 256);
sendBytes[4] = (byte)(count / 256);
sendBytes[5] = (byte)(count % 256);
//封装CRC校验
byte[] CRC = CRC16(sendBytes,6);
sendBytes[6] = CRC[0];
sendBytes[7] = CRC[1];//CRC校验有问题，找不到合适的校验
//sendBytes[6] = 0XC4;
//sendBytes[7] = 0X0B;
//第二发送请求报文
byte[] receiveBytes = null;
try
{
serialPort.Write(sendBytes,0,sendBytes.Length );//发送报文
Thread.Sleep(ReceiveDelay);//延时接收
//第三 接收返回报文
receiveBytes=new byte[serialPort.BytesToRead];
serialPort.Read(receiveBytes,0,receiveBytes.Length);//从缓冲区接收所有数据到指定位置
}
catch (Exception e)
{
throw new Exception("发送报文异常" + e);
}
//第四 分析返回数据
int byteLength = count * 2;
if (receiveBytes.Length == 5 + byteLength)//报文长度合理
{
//进一步校验
if (CheckCRC(receiveBytes) && receiveBytes[1] == 0x03 && receiveBytes[2] == byteLength)
{
//截取数据部分
byte[] partData = new byte[byteLength];
//返回截取数组，只包括数据（从索引3开始，去掉地址，功能码，字节数组，目的数组，从0开始，复制数据长度）
Array.Copy(receiveBytes, 3, partData, 0, byteLength);
return partData;
}
else return null;
}
else return null;
}
#region CRC校验
private static readonly byte[] aucCRCHi =
{
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40
};
private static readonly byte[] aucCRCLo =
{
0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4,
0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,
0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD,
0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7,
0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,
0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE,
0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2,
0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,
0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB,
0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91,
0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,
0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88,
0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80,
0x40
};
private byte[] CRC16(byte[] pucFrame, int usLen)
{
int i = 0;
byte[] res = new byte[2] { 0xFF, 0xFF };
ushort index;
while (usLen-- > 0)
{
index = (ushort)(res[0] ^ pucFrame[i++]);
res[0] = (byte)(res[1]^ aucCRCHi[index]);
res[1] = aucCRCLo[index];
}
return res;
}
private bool CheckCRC(byte[] value)
{
if (value == null) return false;
if (value.Length <= 2) return false;
int length = value.Length;
byte[] buf = new byte[length - 2];
Array.Copy(value, 0, buf, 0, buf.Length);
byte[] CRCbuf = CRC16(buf, buf.Length);
if (CRCbuf[0] == value[length - 2] && CRCbuf[1] == value[length - 1])
return true;
return false;
}
#endregion
}
}
2.5、用通信库完成项目开发
项目总结：首先通过对modbus协议的学习，modbus报文分为地址码、功能码、数据码和校验码、知道了了数据是怎样的发送和接受。同时通过对modbus slave 、modbus poll、串口助手工具的使用，能够更好的测试数据的传输、还学习了一些组件的使用，学会了用Windows Forms设计一个简单的窗口界面。
