IoTClient开发3 - ModBusTcp协议客户端实现

前言

进过前面两章的介绍，今天开始正式的实战。

进制转换

很多朋友对于进制转换可能是在刚学计算机的时候有接触，后来做高级语言开发可能就慢慢忘记了。我们做工控开发的时候需要经常进行进制转换，这里和大家一起复习下。

一个字节等8位（1byte = 8bit），可以存储2^8（0-255）共计256个数字。所以我们要对8、256等数字要敏感。

int16（short）, int32（int）, int64（long） 分别是占用2个字节、4个字节、8个字节，Single（float）也是占用4个字节。

bool       System.Boolean (布尔型，其值为 true 或者 false)
byte       System.Byte    (字节型，占 1 字节，表示 8 位正整数，范围 0 ~ 255)
sbyte      System.SByte   (带符号字节型，占 1 字节，表示 8 位整数，范围 -128 ~ 127)
char       System.Char    (字符型，占有 2 个字节，表示 1 个 Unicode 字符)
short      System.Int16   (短整型，占 2 字节，表示 16 位整数，范围 -32,768 ~ 32,767)
ushort     System.UInt16  (无符号短整型，占 2 字节，表示 16 位正整数，范围 0 ~ 65,535)
uint       System.UInt32  (无符号整型，占 4 字节，表示 32 位正整数，范围 0 ~ 4,294,967,295)
int        System.Int32   (整型，占 4 字节，表示 32 位整数，范围 -2,147,483,648 到 2,147,483,647)
float      System.Single  (单精度浮点型，占 4 个字节)
ulong      System.UInt64  (无符号长整型，占 8 字节，表示 64 位正整数)
long       System.Int64   (长整型，占 8 字节，表示 64 位整数)
double     System.Double  (双精度浮点型，占8 个字节)

接着我们来看其他进制转十进制的计算

十进制转十进制
1263 = 1*10^3 + 2*10^2 + 6*10^1 + 3*10^0 = 1000 + 200 + 60 + 3 = 1263
二进制转十进制
1001 = 1*2^3 + 0*2^2 + 0*2^1 + 1*2^0 = 8 + 0 + 0 + 1 = 9
十六进制转十进制
3245 = 3*16^3 + 2*16^2 + 4*16^1 + 5*16^0 = 3*4096 + 2*256 + 4*16 + 5 = 12869

十进制转二进制

第八位 第七位 第六位 第五位 第四位 第三位 第二位 第一位
2^7     2^6    2^5    2^4     2^3    2^2    2^1   2^0
128     64     32     16      8      4      2      1

以上位二进制位能存储最大十进制数，所以我们反过来也可以对照把十进制转二进制。比如86，
86小于128多以第八位是0，86大于64所以第七位是1。86-64=22，22小于32所以第六位是0，22大于16所以第五位是1。。。

所以最好转成二进制是：0101 0110

二进制转十六进制

我们用二进制 0101 0110来演示，也就是上面十进制的86。

当然，你最好用计算器验证下

ModBusTcp协议介绍

我们在对进制转换进行复习过后，接下来讲ModBusTcp协议。

ModBus协议是现在工控里面用的比较多比较通用的一种协议，什么可靠啊、简单啊等等一些优点就不说了，直接入正题。

ModBus分为RTU、ASCII、TCP三种方式进行通信，今天我们只讲TCP。

在ModBus里面有站号、功能码、寄存器地址等概念。

• 站号：多设备的标识号
• 功能码：一些功能的标识号
  
  功能码详解：

01：读线圈
02：读离散量
03：读保持寄存器（每个寄存器含有两个字节）
04：读输入寄存器
05：写单个线圈
06：写单个寄存器
15：用于写多个线圈
16：写多个寄存器

ModBusTcp报文分析

协议的理解和实现主要就是要对协议报文理解。（注意：以下报文数据都是十六进制）

数据【读取-请求报文】：19 B2 00 00 00 06 02 03 00 04 00 01

• 19 B2 是客户端发的检验信息，随意定义。
• 00 00 代表是基于tcp/ip协议的modbus
• 00 06 标识后面还有多长的字节
• 02 表示站号地址
• 03 为功能码（读保持寄存器）
• 00 04 为寄存器地址
• 00 01 为寄存器的长度(寄存器个数)

数据【读取-响应报文】（分两次获取）

第一次获取前八个字节（Map报文头）：19 B2 00 00 00 05 02 03 02 00 20

• 19 B2 检验验证信息(复制的客户端发的，配件检验)
• 00 00 代表是基于tcp/ip协议的modbus(复制的客户端发的)
• 00 05 为当前位置到最后的长度
• 02 表示站号地址(复制的客户端发的)
• 03 为功能码(复制的客户端发的)

第二次获取的报文：02 00 20

• 02 字节个数
• 00 20 响应的数据

数据【写入-请求报文】：19 B2 00 00 00 09 02 10 00 04 00 01 02 00 20

• 19 B2 是客户端发的检验信息，随意定义。
• 00 00 代表是基于tcp/ip协议的modbus
• 00 09 从本字节下一个到最后
• 02 站号
• 10 功能码（转十进制就是16）
• 00 04 寄存器地址
• 00 01 寄存器的长度(寄存器个数)
• 02 写字节的个数
• 00 20 要写入的值（转十进制为32）

数据【写入-响应报文】：19 B2 00 00 00 06 02 10 00 04 00 01

和请求报文的区别

• 没有了请求报文的数据值
• 00 09 变成了00 06 因为报文长度变了
• 其他的报文意义和请求报文一致

ModBusTcp对寄存器的读取

有了上面的三个报文做参考，我们就可以用Socket来实现ModBusTcp协议了。其实协议就是按照报文的规定来，也没有想的那么复杂，和我们前面实现的聊天通讯软件区别不大。

第一步，我们先实现数据读取报文的组装：

/// <summary>
/// 获取读取命令（此方法传入参数后就可以得到类似19 B2 00 00 00 06 02 03 00 04 00 01这样的请求报文）
/// </summary>
/// <param name="address">寄存器起始地址</param>
/// <param name="stationNumber">站号</param>
/// <param name="functionCode">功能码</param>
/// <param name="length">读取长度</param>
/// <returns></returns>
public static byte[] GetReadCommand(ushort address, byte stationNumber, byte functionCode, ushort length)
{
    byte[] buffer = new byte[12];
    buffer[0] = 0x19;
    buffer[1] = 0xB2;//Client发出的检验信息
    buffer[2] = 0x00;
    buffer[3] = 0x00;//表示tcp/ip 的协议的modbus的协议
    buffer[4] = 0x00;
    buffer[5] = 0x06;//表示的是该字节以后的字节长度

    buffer[6] = stationNumber;  //站号
    buffer[7] = functionCode;   //功能码
    buffer[8] = BitConverter.GetBytes(address)[1];
    buffer[9] = BitConverter.GetBytes(address)[0];//寄存器地址
    buffer[10] = BitConverter.GetBytes(length)[1];
    buffer[11] = BitConverter.GetBytes(length)[0];//表示request 寄存器的长度(寄存器个数)
    return buffer;
}

第二步，就是建立我们的Socket连接，并发送请求报文

//1 创建Socket
var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//2 建立连接
socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ip), 端口));

//3 获取命令[组装请求报文]（寄存器起始地址：4、站号：2、功能码：3、读取寄存器长度：1）
byte[] command = GetReadCommand(4, 2, 3, 1);

//4 发送命令
socket.Send(command);

第三步，解析响应报文，得到数据值

//5 读取响应
byte[] buffer1 = new byte[8];//先读取前面八个字节（Map报文头）
socket.Receive(buffer1, 0, buffer1.Length, SocketFlags.None);

//5.1 获取将要读取的数据长度
int length = buffer1[4] * 256 + buffer1[5] - 2;//减2是因为这个长度数据包括了单元标识符和功能码，占两个字节

//5.2 读取数据
byte[] buffer2 = new byte[length];
var readLength2 = socket.Receive(buffer2, 0, buffer2.Length, SocketFlags.None);

byte[] buffer3 = new byte[readLength2 - 1];
//5.3  过滤第一个字节（第一个字节代表数据的字节个数）
Array.Copy(buffer2, 1, buffer3, 0, buffer3.Length);
var buffer3Reverse = buffer3.Reverse().ToArray();
var value = BitConverter.ToInt16(buffer3Reverse, 0);

//6 关闭连接
socket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
socket.Close();

ModBusTcp对寄存器的写入

对于数据写入就更简单了。

第一步，组装请求报文

/// <summary>
/// 获取写入命令
/// </summary>
/// <param name="address">寄存器地址</param>
/// <param name="values"></param>
/// <param name="stationNumber">站号</param>
/// <param name="functionCode">功能码</param>
/// <returns></returns>
public static byte[] GetWriteCommand(ushort address, byte[] values, byte stationNumber, byte functionCode)
{
    byte[] buffer = new byte[13 + values.Length];
    buffer[0] = 0x19;
    buffer[1] = 0xB2;//检验信息，用来验证response是否串数据了
    buffer[4] = BitConverter.GetBytes(7 + values.Length)[1];
    buffer[5] = BitConverter.GetBytes(7 + values.Length)[0];//表示的是header handle后面还有多长的字节

    buffer[6] = stationNumber; //站号
    buffer[7] = functionCode;  //功能码
    buffer[8] = BitConverter.GetBytes(address)[1];
    buffer[9] = BitConverter.GetBytes(address)[0];//寄存器地址
    buffer[10] = (byte)(values.Length / 2 / 256);
    buffer[11] = (byte)(values.Length / 2 % 256);//写寄存器数量(除2是一个寄存器两个字节，寄存器16位。除以256是byte最大存储255。)
    buffer[12] = (byte)(values.Length);          //写字节的个数
    values.CopyTo(buffer, 13);                   //把目标值附加到数组后面
    return buffer;
}

第二步，建立Socket连接，并发送报文

//1 创建Socket
var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//2 建立连接
socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ip), 端口));

//值的转换
short value = 32;
var values = BitConverter.GetBytes(value).Reverse().ToArray();

//3 获取并发送命令（寄存器起始地址、站号、功能码）
var command = GetWriteCommand(4, values, 2, 16);
socket.Send(command);

//4 关闭连接
socket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
socket.Close();

结束

• 同步至索引目录：《物联网基础组件IoTClient开发系列》
• 参考1：https://www.cnblogs.com/any91/p/3530540.html
• 参考2：https://www.cnblogs.com/DreamRecorder/p/9081134.html
• demo：https://github.com/zhaopeiym/BlogDemoCode/tree/master/IoTClient/ModbusTCP
• 完整实现：https://github.com/zhaopeiym/IoTClient