> 内容要点： > > 梳理 Modbus 的历史，Modbus RTU 和 TCP 的区别，还有技术要点。上一篇文章给上位机通讯画了一份地图，了解了各种物理接口、通讯协议。这篇文章，将挑选几个最重要的通讯协议，深入学习。 ## 第一关：Modbus协议入门必学。不管你是连温控器、变频器还是低端 PLC，它是唯一的通用语言。 ### Modbus 历史 1979 年（比 HTTP、TCP/IP 都要老，真是爷爷辈的）， Modicon 公司（现在的施耐德电气），发明了世界上第一台 PLC，为了让 PLC 能和电脑说话，他们发明了这个协议。并且完全免费、公开发布这个协议的标准。任何人都可以拿去用，不需要交专利费。经过 40 多年的积累，市场上已经有几十亿台设备支持它。同时它的规则也简单，加上免费开源，Modbus 已经成为了工业界最流行的协议。 Modbus RTU (Remote Terminal Unit 远程终端单元)。一开始（70-80年代），设备少，仅靠串口就可以连接所有设备，进行通讯。这一阶段的 Modbus 协议都是 Modbus RTU 。 Modbus TCP (Transmission Control Protocol 远程终端单元)。后来（90年代-现在），互联网爆发，设备越来越多，为了快、为了远程联网，换成网线连接。协议包了一层壳，变成了 Modbus TCP 。现在，Modbus RTU 、TCP，都是市场上广泛使用的协议，因为便宜，前者并没有被淘汰。也可总结为，“网口就是 TCP，串口就是 RTU”。 ### Modbus 优势 - 门槛极低：报文结构非常清晰，容易抓包调试。 - 硬件便宜：几块钱的芯片就能跑。 - 极其稳定：经过了 40 年工厂恶劣环境的考验，它是最皮实的。 - 跨物理层：它可以跑在两根铜线上（485），也可以跑在网线上（TCP），甚至可以跑在光纤、无线电上。 ### Modbus 是什么 Modbus 是一种“一问一答”的对话规则。 **角色分工：** - **Master（主站）：** 通常是上位机。**永远由主站发起对话**，“你，把温度告诉我！”或者“你，把开关打开！”。 - **Slave（从站）：** 通常是 PLC、温控器、仪表。**永远不会主动说话**，只有问了，才回答。 **对话内容：** - 极其简单，只有两种事：**读数据**（Read）和 **写数据**（Write）。 - 数据存在哪里？存在设备的**寄存器（Register）**里，就像是一个个标了号的“抽屉”。 ### Modbus 协议 #### 1. 四大存储区（数据存在哪？） Modbus 设备里面有四个存储数据的地方：在 C# 编程中，用得最多的就是 **保持寄存器 (Holding Registers, 4区)**。因为现代设备为了方便，经常把“只读数据”也映射到这个区里，让你读又能写，省得换区。 | **区域名称** | **英文代号** | **俗称** | **读写权限** | **数据类型** | **典型用途** | **备注** | | -------------- | -------------------------- | ----------------- | ------------ | --------------------------------- | ------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------ | | **线圈** | **Coils** (0x) | **DO** (输出) | **读 / 写** | **Bit (位)** 只有 ON/OFF | **控制开关：** 启动电机、打开阀门、亮红灯。 | **最常用** 地址通常以 **0** 开头 (如 00001) | | **离散输入** | **Discrete Inputs** (1x) | **DI** (输入) | **只读** | **Bit (位)** 只有 ON/OFF | **读取状态：** 按钮按下没？光电开关遮挡没？ | 地址通常以 **1** 开头 (如 10001) | | **输入寄存器** | **Input Registers** (3x) | **AI** (模拟量入) | **只读** | **16位 Word (字)** 数值 (0~65535) | **读取数值：** 温度传感器读数、流量计读数。 | 地址通常以 **3** 开头 (如 30001) | | **保持寄存器** | **Holding Registers** (4x) | **AO/参数** | **读 / 写** | **16位 Word (字)** 数值 (0~65535) | **设定参数：** 设定温度 100℃、设定转速。 | **由它统治世界！** 绝大多数数据都放这。地址通常以 **4** 开头 (如 40001) | #### 2. 功能码（怎么操作？）上位机发给设备的指令里，有一个字节专门告诉设备“我要干什么”，这就是功能码。虽然标准定义了很多，但工业现场**90% 的情况只用这 4 个**： | **代码 (Hex)** | **功能名称** | **针对哪个存储区？** | **作用描述** | **C# 方法 (NModbus4示例)** | | -------------- | -------------------------- | -------------------- | -------------- | ------------------------------------------------------- | | **01** | Read Coils | 线圈 (0x) | **读开关状态** | `ReadCoils()` | | **02** | Read Discrete Inputs | 离散输入 (1x) | **读输入状态** | `ReadInputs()` | | **03** | **Read Holding Registers** | **保持寄存器 (4x)** | **读数值** | `ReadHoldingRegisters()` *(这是最常用的指令，没有之一)* | | **06** | Write Single Register | 保持寄存器 (4x) | **写一个数值** | `WriteSingleRegister()` | | **10** (16) | Write Multiple Registers | 保持寄存器 (4x) | **写多个数值** | `WriteMultipleRegisters()` | #### 3. 报文结构（数据包长什么样？）以 **Modbus RTU** 为例，看一个最经典的交互过程： **场景：** 上位机（主站 01）想读取变频器（从站 01）的输出频率（假设在寄存器 2000 处，读 1 个）。 **发送 (Request)：上位机 -> 设备** 报文：`01 03 07 D0 00 01 85 CF` | **字节** | **含义** | **解释** | | --------- | ------------ | -------------------------------------------- | | **01** | 从站地址 | 喂，1号设备，我在跟你说话。 | | **03** | **功能码** | 我要**读保持寄存器**。 | | **07 D0** | **起始地址** | 从第 **2000** 号地址开始读 (0x07D0 = 2000)。 | | **00 01** | **数量** | 我只要读 **1** 个寄存器。 | | **85 CF** | CRC 校验 | 这是为了防止数据传输出错算出来的校验码。 | **接收 (Response)：设备 -> 上位机** 报文：`01 03 02 13 88 B5 12` | **字节** | **含义** | **解释** | | --------- | ------------ | ---------------------------------------------------- | | **01** | 从站地址 | 我是1号，我回话了。 | | **03** | 功能码 | 这是针对你刚才“读寄存器”的回复。 | | **02** | **字节数** | 后面跟着 **2** 个字节的数据（因为1个寄存器=2字节）。 | | **13 88** | **数据内容** | 0x1388 = 十进制 **5000** (代表 50.00 Hz)。 | | **B5 12** | CRC 校验 | 校验码。 | ### Modbus RTU 和 TCP 的区别发送同样的数据包内容，RTU 和 TCP 的区别如下： | **组成部分** | **1. TCP 专用报文头 (MBAP)** | **2. 从站 ID / 单元标识符** | **3. PDU (功能码 + 数据) (完全一致的核心)** | **4. RTU 专用校验尾巴**(CRC) | | -------------- | ------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ----------------------------------------------- | | **Modbus TCP** | `00 01 00 00 00 06` | `01` | **`03 00 00 00 01`** | *(无)* | | **Modbus RTU** | *(无)* | `01` | **`03 00 00 00 01`** | `84 0A` | | | **加头：** 也就是 MBAP 头。用来在网络上管理这包数据。 | **身份：** 我是 1 号设备。 *(TCP里叫 Unit ID，RTU里叫 Slave ID)* | **核心指令：** `03`: 读保持寄存器 `00 00`: 从地址 0 开始 `00 01`: 读 1 个 | **去尾：** TCP 底层自带校验，所以把 CRC 扔了。 | #### **Modbus RTU（经典款）** 跑在串口上 (RS-485 / RS-232)，带宽不大，数据是紧凑的**十六进制 (Hex)**。 **结构：** `[从站ID] + [PDU] + [CRC校验]` **特点：** - **时间间隔敏感：** 它靠“时间停顿”来判断一句话说没说完（3.5个字符时间）。 - **校验强：** 使用 CRC (循环冗余校验)，算错一位数就丢弃。 - **场景：** 也就是我们说的“串口派”。连接温控器、变频器等低成本设备。 #### **Modbus TCP（现代款）** 跑在网口上，带宽大，给 RTU 的数据穿了一层 **TCP 的马甲（MBAP）**。 **结构：** `[MBAP 报文头] + [PDU]` **特点：** - **去掉了 CRC：** 因为 TCP 协议本身就保证数据不会错，Modbus 就不操心校验了。 - **加了 MBAP 头：** 用来标记事务 ID（比如这是第几号指令）。 **场景：** 也就是我们说的“网口派”。连接 PLC、远程 IO 模块。 ### 通讯实战 #### 通讯建立的三部曲 **第一步：配置参数** 这是新手最容易忽略，也是最容易导致“连不上”的原因。**两边的设置必须一模一样！** **如果是串口 (RS-485)：** - （上位机）和（设备）必须约定好配置参数。 - **波特率 (Baud Rate)：** 比如都设为 `9600`。如果一个是 9600 一个是 19200，那就是鸡同鸭讲。 - **数据位/停止位/校验位：** 通常是 `8-N-1`（8数据位，无校验，1停止位）。 - **站号 (Slave ID)：** 设备说“我是 1 号”，你代码里就必须呼叫“1 号”。 **如果是网口 (TCP)：** - **IP 地址：** 必须在同一个网段。比如设备是 `192.168.1.5`，你的电脑必须是 `192.168.1.X`。 - **端口号 (Port)：** Modbus TCP 默认永远是 **502**。 **第二步：敲门（发起请求）** Modbus 是**“主从模式”**，如果上位机不发送内容，设备不会回复。 **发起了第一次“读写指令”。** 在 C# 代码里，这一步就是： 1. **打开端口：** `serialPort.Open()` 或 `client.Connect()`。 2. **发送指令：** `master.ReadHoldingRegisters(...)`。 **第三步：验证** 验证是否发送成功： **看代码返回值** - **成功：** 你的 C# 方法顺利返回了一个**数组**，里面的数字不是 0（或者是你预期的 0）。没有报错（Exception）。 - **失败：** 程序直接崩了，抛出 `TimeoutException`（超时异常）。 **看硬件指示灯)** - 几乎所有工业设备的网口或串口旁都有两个小灯：**Tx (发送)** 和 **Rx (接收)**。 - **Tx 闪：** 说明你的电脑指令发过去了（路通了）。 - **Rx 闪：** 说明设备收到指令并回话了（暗号对了）。 - **如果不亮：** 线没接好。 - **如果只 Tx 亮，Rx 不亮：** 线通了，但波特率/站号/ID设置错了，设备听不懂，拒绝回答。 **用“替身”测试** 在写代码前，先用现成的软件（**Modbus Poll**）连一下。 - 如果 Modbus Poll 显示 `Timeout Error`，先去查线和参数。 - 如果 Modbus Poll 能看到数字在跳，说明硬件和参数没问题。 #### c# 实战 **新建项目：** Visual Studio -> 新建控制台应用 (.NET Framework 或 .NET 6/7/8 均可)。 **安装库：** 在“解决方案资源管理器” -> 右键项目 -> **管理 NuGet 程序包** -> 搜索并安装 **`NModbus4`**。 *注：`NModbus4` 是最经典的开源库，虽然好久没更新，但极其稳定，适合教学。* #### 1️⃣ **Modbus RTU (串口) 完整封装类** > **适用场景：** USB转485 连接温控器、传感器、变频器。 ```c# using System; using System.IO.Ports; using Modbus.Device; // 核心命名空间，来自 NModbus4 public class ModbusRtuService { private SerialPort _serialPort; private IModbusSerialMaster _master; ///

/// 初始化串口连接 ///

/// COM口名称，如 "COM3" /// 波特率，如 9600 public void Connect(string portName, int baudRate) { try { // 1. 配置物理层 (SerialPort) _serialPort = new SerialPort(portName) { BaudRate = baudRate, DataBits = 8, Parity = Parity.None, StopBits = StopBits.One }; _serialPort.Open(); // 打开串口 // 2. 创建协议层 (Modbus Master) var factory = new ModbusFactory(); _master = factory.CreateRtuMaster(_serialPort); // 设置读取超时时间 (重要！防止设备掉线后程序卡死) _master.Transport.ReadTimeout = 1000; // 1秒超时 Console.WriteLine($"[RTU] 串口 {portName} 打开成功！"); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine($"[RTU] 连接失败: {ex.Message}"); } } ///

/// 读取保持寄存器 (功能码 03) ///

/// 从站地址 (1-247) /// 起始地址 (说明书地址 - 1) /// 读取数量 public ushort[] ReadHoldingRegisters(byte slaveId, ushort startAddress, ushort numRegisters) { try { if (_master == null) return null; // 发送指令并等待返回 // 参数：站号, 起始地址, 数量 return _master.ReadHoldingRegisters(slaveId, startAddress, numRegisters); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine($"[RTU] 读取失败: {ex.Message}"); return null; } } ///

/// 写入单个寄存器 (功能码 06) ///

public void WriteSingleRegister(byte slaveId, ushort address, ushort value) { try { _master?.WriteSingleRegister(slaveId, address, value); Console.WriteLine($"[RTU] 写入成功: 地址 {address} -> 值 {value}"); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine($"[RTU] 写入失败: {ex.Message}"); } } ///

/// 关闭连接 ///

public void Disconnect() { _serialPort?.Close(); _master?.Dispose(); Console.WriteLine("[RTU] 连接已关闭"); } } ``` #### 2️⃣ **Modbus TCP (网口) 完整封装类** **适用场景：** 网线连接 PLC、远程 IO 模块。 ```c# using System; using System.Net.Sockets; using Modbus.Device; public class ModbusTcpService { private TcpClient _tcpClient; private ModbusIpMaster _master; ///

/// 连接到 Modbus TCP 设备 ///

/// 设备的 IP 地址 /// 端口号，默认 502 public void Connect(string ip, int port = 502) { try { // 1. 配置物理层 (TcpClient) _tcpClient = new TcpClient(); _tcpClient.Connect(ip, port); // 建立 TCP 连接 // 2. 创建协议层 (Modbus Master) var factory = new ModbusFactory(); _master = factory.CreateMaster(_tcpClient); // 设置超时 _master.Transport.ReadTimeout = 2000; Console.WriteLine($"[TCP] 连接 {ip}:{port} 成功！"); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine($"[TCP] 连接失败: {ex.Message}"); } } ///

/// 读取保持寄存器 (功能码 03) ///

public ushort[] ReadHoldingRegisters(byte slaveId, ushort startAddress, ushort numRegisters) { try { // TCP 模式下，slaveId 对应报文里的 Unit Identifier // 如果直连 PLC，通常填 1 或 0 都可以 return _master?.ReadHoldingRegisters(slaveId, startAddress, numRegisters); } catch (Exception ex) { Console.WriteLine($"[TCP] 读取失败: {ex.Message}"); return null; } } public void Disconnect() { _tcpClient?.Close(); _master?.Dispose(); Console.WriteLine("[TCP] 连接已关闭"); } } ``` #### 3️⃣ 进阶：如何处理“小数” (Float/Real)？ Modbus 读回来的是 `ushort[]` (16位整数数组)。如果你要读温度 `25.5`，设备通常是用 **两个寄存器** 拼成一个 **32位浮点数** 存的。 ````c# public static class ModbusUtils { ///

/// 将两个寄存器 (ushort) 转换为浮点数 (float) ///

/// Modbus读回来的数组 (至少2个长度) /// 转换后的浮点数 public static float ConvertToFloat(ushort[] registers) { if (registers == null || registers.Length < 2) return 0.0f; // 1. 拿到高位和低位 (注意：这里可能有 ABCD 或 CDAB 的字节序问题) // 假设顺序是 CDAB (低位寄存器在前，高位在后) -> 这是最常见的工控格式 ushort low = registers[0]; ushort high = registers[1]; // 2. 转换成字节数组 byte[] lowBytes = BitConverter.GetBytes(low); byte[] highBytes = BitConverter.GetBytes(high); // 3. 拼成一个 4 字节数组 (float 是 4 字节) byte[] floatBytes = new byte[4]; // 这里的顺序决定了是 ABCD 还是 CDAB，如果读数不对，就调整这里的赋值顺序 floatBytes[0] = lowBytes[0]; floatBytes[1] = lowBytes[1]; floatBytes[2] = highBytes[0]; floatBytes[3] = highBytes[1]; // 4. 转换成 float return BitConverter.ToSingle(floatBytes, 0); } } ```` #### 4️⃣ 主程序 (Main)：让代码跑起来连接一个串口设备，读取地址 40001 (温度) 和 40002 (湿度)。 ```c# class Program { static void Main(string[] args) { // --------------------------------------------- // 场景 A: 测试 Modbus RTU (串口) // --------------------------------------------- ModbusRtuService rtu = new ModbusRtuService(); // 1. 连接 (请去设备管理器看你的 COM 口号) rtu.Connect("COM3", 9600); // 2. 读取数据 // 假设说明书说：温度在 40001，湿度在 40002 // 代码里地址要减 1 -> 0, 1 // 我们一次读 2 个 byte slaveId = 1; ushort startAddr = 0; ushort count = 2; Console.WriteLine("\n正在读取数据..."); var data = rtu.ReadHoldingRegisters(slaveId, startAddr, count); if (data != null) { Console.WriteLine($"[原始数据] 寄存器0: {data[0]}, 寄存器1: {data[1]}"); // 假设厂家说：读出来的数除以 10 就是真实温度 double temp = data[0] / 10.0; Console.WriteLine($"[解析后] 当前温度: {temp} ℃"); } // 3. 写入数据 // 假设 40010 是设定温度，我们要设为 100 rtu.WriteSingleRegister(slaveId, 9, 100); // 4. 断开 Console.ReadLine(); // 暂停看一下 rtu.Disconnect(); } } ``` ### 避坑指南 #### 地址偏移坑说明书上写“频率地址 40001”，你代码里读 `40001`，结果报错或者读到了错误的数据（比如读到了 40002 的值）。 **PLC/文档地址**（逻辑地址）通常是从 **1** 开始计数的。 **协议/代码地址**（物理地址）是从 **0** 开始计数的。 **代码地址 = 说明书地址 - 1** - 文档写 `40001` -> 代码填 `0` - 文档写 `40100` -> 代码填 `99` - *注意：如果文档直接写 Hex 地址（如 `0x2000`），通常不需要减 1，直接用即可。* #### 大小端坑 (Endian) 读一个压力值，本来应该是 `25.5`，结果读出来是 `1.34e-38` 或者一个几十亿的巨大整数。 Modbus 寄存器是 16 位的（2字节）。当你读 32 位数据（如 `float` 或 `int`）时，需要读 2 个寄存器（4字节）。 **坑在于顺序：** 设备发过来的 4 个字节是 `A B C D` 顺序，还是 `C D A B` 顺序？标准没有强制规定，各家厂家随便乱来。先用调试软件（Modbus Poll）连上。在软件设置里改 **Byte Order**（字节序），试 `ABCD`、`CDAB`、`BADC`... 直到看到正常的数字为止。然后在 C# 代码里做同样的字节交换处理。 #### 接线反转坑：RS-232 vs RS-485 线插上了，死活连不上，RX 灯不闪。 232 和 485 的接法逻辑完全相反。 **RS-232（交叉接）：** 电脑的 `TX`（发）要接设备的 `RX`（收），`RX` 接 `TX`。 **RS-485（直连）：** `A` 接 `A`（正接正），`B` 接 `B`（负接负）。 #### 硬件坑通讯极其不稳定，发 10 次成功 5 次；或者运行一小时后电脑蓝屏/串口消失。淘宝上那种 5 块钱蓝色的 USB 转 485，抗干扰能力极差，且容易因为发热导致电平漂移。贵点，买个带 **FTDI 芯片** 或者 **隔离保护** 的转换器。检查有没有接地线（GND）。485 虽然是两根线，但在强干扰环境下，**把屏蔽层接地**能救命。 #### 轮询坑程序刚运行挺好，过一会设备就掉线，或者界面卡死，或者设备报错。 `while(true)` 循环里读得太快了！刚发完一条指令，设备还没来得及处理数据，下一条指令又过去了。或者你在 UI 线程里直接写循环，导致界面卡死。 **必须加延时：** 每次读取之间，至少 `Thread.Sleep(20)` 到 `50` 毫秒。给设备一点反应时间。 **设置超时：** 必须给串口或 TCP 设置 `ReadTimeout`（比如 1000ms），并用 `try-catch` 捕获超时异常，防止程序崩溃。 #### ID 冲突坑 485 总线上挂了 3 个传感器，单独连都正常，接在一起数据就乱跳，校验错误。忘了修改站号（Slave ID），它们出厂默认都是 `1` 号。当你喊“1号”时，3 个设备同时在总线上向你回话，电信号就撞车了。上机安装前，**必须**单独连接每一个设备，把 ID 改成不同的（1, 2, 3...），并在设备外壳上贴个标签写好 ID。