Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，支持多种传输方式，如RTU、TCP等。其中，Modbus RTU是一种基于串行通信的协议，具有高效、可靠的特点。本文将详细介绍Modbus RTU协议的基本原理，并重点解析功能码0x03（读取保持寄存器）、0x06（写单个寄存器）和0x10（写多个寄存器）的使用和作用。同时，我们将通过C#代码实现这些功能码的读写操作。
1. Modbus RTU协议简介
1.1 协议概述
Modbus RTU协议是一种主从式通信协议，采用二进制编码，数据帧紧凑，传输效率高。它通过串口（如RS-232、RS-485）进行数据传输，适用于工业现场设备之间的通信。
1.2 数据帧格式
Modbus RTU数据帧由以下部分组成：
从站地址：1字节，表示目标设备的地址。
功能码：1字节，表示操作类型（如读取寄存器、写入寄存器等）。
数据域：可变长度，包含操作所需的数据。
CRC校验：2字节，用于校验数据帧的完整性。
2. 功能码详解
2.1 功能码0x03：读取保持寄存器
作用：读取从站设备中的一个或多个保持寄存器的值。
请求帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x03，1字节）
起始寄存器地址（2字节）
寄存器数量（2字节）
CRC校验（2字节）
响应帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x03，1字节）
数据字节数（1字节）
寄存器数据（N字节）
CRC校验（2字节）
2.2 功能码0x06：写单个寄存器
作用：向从站设备中的一个保持寄存器写入数据。
请求帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x06，1字节）
寄存器地址（2字节）
写入值（2字节）
CRC校验（2字节）
响应帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x06，1字节）
寄存器地址（2字节）
写入值（2字节）
CRC校验（2字节）
2.3 功能码0x10：写多个寄存器
作用：向从站设备中的多个保持寄存器写入数据。
请求帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x10，1字节）
起始寄存器地址（2字节）
寄存器数量（2字节）
数据字节数（1字节）
写入数据（N字节）
CRC校验（2字节）
响应帧格式：
从站地址（1字节）
功能码（0x10，1字节）
起始寄存器地址（2字节）
寄存器数量（2字节）
CRC校验（2字节）
3. C#实现Modbus RTU协议
以下是使用C#实现Modbus RTU协议的代码示例，包括功能码0x03、0x06和0x10的读写操作。
3.1 串口初始化
using System.IO.Ports;
public class ModbusRTU
{
private SerialPort serialPort;
public ModbusRTU(string portName, int baudRate)
{
serialPort = new SerialPort(portName, baudRate, Parity.None, 8, StopBits.One);
serialPort.Open();
}
public void Close()
{
serialPort.Close();
}
}
3.2 CRC校验
public static byte[] CalculateCRC(byte[] data)
{
ushort crc = 0xFFFF;
for (int i = 0; i < data.Length; i++)
{
crc ^= data[i];
for (int j = 0; j < 8; j++)
{
if ((crc & 0x0001) != 0)
{
crc >>= 1;
crc ^= 0xA001;
}
else
{
crc >>= 1;
}
}
}
return new byte[] { (byte)(crc & 0xFF), (byte)(crc >> 8) };
}
3.3 功能码0x03：读取保持寄存器
public ushort[] ReadHoldingRegisters(byte slaveAddress, ushort startAddress, ushort numberOfRegisters)
{
byte[] request = new byte[8];
request[0] = slaveAddress; // 从站地址
request[1] = 0x03; // 功能码
request[2] = (byte)(startAddress >> 8); // 起始地址高字节
request[3] = (byte)(startAddress & 0xFF); // 起始地址低字节
request[4] = (byte)(numberOfRegisters >> 8); // 寄存器数量高字节
request[5] = (byte)(numberOfRegisters & 0xFF); // 寄存器数量低字节
byte[] crc = CalculateCRC(request.Take(6).ToArray());
request[6] = crc[0]; // CRC低字节
request[7] = crc[1]; // CRC高字节
serialPort.Write(request, 0, request.Length);
byte[] response = new byte[5 + 2 * numberOfRegisters];
serialPort.Read(response, 0, response.Length);
ushort[] registers = new ushort[numberOfRegisters];
for (int i = 0; i < numberOfRegisters; i++)
{
registers[i] = (ushort)(response[3 + 2 * i] << 8 | response[4 + 2 * i]);
}
return registers;
}
3.4 功能码0x06：写单个寄存器
public void WriteSingleRegister(byte slaveAddress, ushort registerAddress, ushort value)
{
byte[] request = new byte[8];
request[0] = slaveAddress; // 从站地址
request[1] = 0x06; // 功能码
request[2] = (byte)(registerAddress >> 8); // 寄存器地址高字节
request[3] = (byte)(registerAddress & 0xFF); // 寄存器地址低字节
request[4] = (byte)(value >> 8); // 写入值高字节
request[5] = (byte)(value & 0xFF); // 写入值低字节
byte[] crc = CalculateCRC(request.Take(6).ToArray());
request[6] = crc[0]; // CRC低字节
request[7] = crc[1]; // CRC高字节
serialPort.Write(request, 0, request.Length);
byte[] response = new byte[8];
serialPort.Read(response, 0, response.Length);
}
3.5 功能码0x10：写多个寄存器
public void WriteMultipleRegisters(byte slaveAddress, ushort startAddress, ushort[] values)
{
byte[] request = new byte[9 + 2 * values.Length];
request[0] = slaveAddress; // 从站地址
request[1] = 0x10; // 功能码
request[2] = (byte)(startAddress >> 8); // 起始地址高字节
request[3] = (byte)(startAddress & 0xFF); // 起始地址低字节
request[4] = (byte)(values.Length >> 8); // 寄存器数量高字节
request[5] = (byte)(values.Length & 0xFF); // 寄存器数量低字节
request[6] = (byte)(2 * values.Length); // 数据字节数
for (int i = 0; i < values.Length; i++)
{
request[7 + 2 * i] = (byte)(values[i] >> 8); // 数据高字节
request[8 + 2 * i] = (byte)(values[i] & 0xFF); // 数据低字节
}
byte[] crc = CalculateCRC(request.Take(7 + 2 * values.Length).ToArray());
request[7 + 2 * values.Length] = crc[0]; // CRC低字节
request[8 + 2 * values.Length] = crc[1]; // CRC高字节
serialPort.Write(request, 0, request.Length);
byte[] response = new byte[8];
serialPort.Read(response, 0, response.Length);
}
4. 总结
本文详细介绍了Modbus RTU协议的基本原理，并通过C#代码实现了功能码0x03、0x06和0x10的读写操作。Modbus RTU协议在工业自动化领域应用广泛，掌握其实现方法对于开发工业控制系统具有重要意义。
希望这篇文章对您有所帮助！如果有任何问题，欢迎在评论区留言讨论。
