C# 实现 Modbus 通信的简单教程（支持 TCP 和 RTU）

Modbus 协议是一种广泛应用于工业自动化中的通信协议，用于在设备之间进行数据交换。它基于主/从架构，并支持多种传输方式，如 Modbus TCP 和 Modbus RTU。由于其简洁、可靠和开放性，Modbus 被广泛应用于 SCADA 系统、PLC（可编程逻辑控制器）、传感器以及其他嵌入式系统。

在本文中，我们将使用 C# 编程语言和开源库 NModbus，展示如何轻松实现 Modbus 通信，支持 Modbus TCP 和 Modbus RTU 两种通信方式。

1. 准备工作

在开始编写代码之前，你需要做一些准备工作：

• NModbus 库：NModbus 是一个用 C# 实现的开源 Modbus 协议库，支持 Modbus RTU 和 Modbus TCP。我们将利用这个库来简化 Modbus 协议的实现。
• 安装 NModbus 库：你可以通过 NuGet 包管理器或者 .NET CLI 安装 NModbus。

打开 Visual Studio 中的 NuGet 包管理器控制台，运行以下命令来安装 NModbus：

Install-Package NModbus

或者，使用 .NET CLI：

dotnet add package NModbus

2. Modbus TCP 客户端实现

Modbus TCP 是基于以太网的协议，通信速度较快，适用于大多数现代设备。如果你有一个支持 Modbus TCP 协议的设备或服务器，以下是如何在 C# 中实现一个简单的 Modbus TCP 客户端。

代码示例：Modbus TCP 客户端

using System;
using System.Net.Sockets;
using Modbus.Device;  // 引入 NModbus 库

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 1. 连接到 Modbus 服务器（Modbus TCP）
        string ipAddress = "192.168.0.100"; // 设备的 IP 地址
        int port = 502; // Modbus TCP 默认端口
        var client = new TcpClient(ipAddress, port);

        // 2. 获取 Modbus TCP 设备的协议客户端
        var modbusTcpMaster = ModbusTcpMaster.CreateIp(client);

        // 3. 读取从站设备的寄存器
        ushort startAddress = 0;  // 寄存器起始地址
        ushort numRegisters = 10; // 读取 10 个寄存器

        try
        {
            // 读取保持寄存器
            ushort[] registers = modbusTcpMaster.ReadHoldingRegisters(startAddress, numRegisters);
            
            // 输出结果
            Console.WriteLine("读取到的寄存器值：");
            foreach (var register in registers)
            {
                Console.WriteLine(register);
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"读取错误: {ex.Message}");
        }

        // 4. 关闭连接
        client.Close();
    }
}

代码解析：

1. 连接到 Modbus 服务器：使用 TcpClient 与 Modbus 设备建立 TCP 连接。指定设备的 IP 地址和端口（默认为 502）。
2. 创建 Modbus 客户端：通过 ModbusTcpMaster.CreateIp(client) 创建一个 Modbus 客户端，支持读写数据。
3. 读取保持寄存器：通过 ReadHoldingRegisters 方法从设备读取指定地址的多个寄存器的值。
4. 关闭连接：通信完成后，关闭与设备的连接。

常用 Modbus 操作：

• 读取寄存器：ReadHoldingRegisters()、ReadInputRegisters()。
• 写入寄存器：WriteSingleRegister()、WriteMultipleRegisters()。

3. Modbus RTU 客户端实现

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是基于串口通信的协议，常用于嵌入式设备和远程设备的通信。Modbus RTU 适用于较为简单的设备，尤其是需要通过串口（如 RS232 或 RS485）通信的情况。

代码示例：Modbus RTU 客户端

using System;
using System.IO.Ports;
using Modbus.Device;  // 引入 NModbus 库

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 1. 通过串口连接到 Modbus 设备
        string portName = "COM1";  // 串口名称
        int baudRate = 9600;       // 波特率
        int parity = 0;            // 校验位，0: 无校验，1: 偶校验，2: 奇校验
        int dataBits = 8;          // 数据位
        int stopBits = 1;          // 停止位

        var serialPort = new SerialPort(portName, baudRate, (Parity)parity, dataBits, (StopBits)stopBits);
        serialPort.Open();

        // 2. 创建 Modbus RTU 主机对象
        var modbusRtuMaster = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort);

        // 3. 读取从站设备的寄存器
        ushort startAddress = 0;   // 寄存器起始地址
        ushort numRegisters = 10;  // 读取 10 个寄存器

        try
        {
            // 读取保持寄存器（从站地址为 1）
            ushort[] registers = modbusRtuMaster.ReadHoldingRegisters(1, startAddress, numRegisters);

            // 输出结果
            Console.WriteLine("读取到的寄存器值：");
            foreach (var register in registers)
            {
                Console.WriteLine(register);
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"读取错误: {ex.Message}");
        }

        // 4. 关闭串口连接
        serialPort.Close();
    }
}

代码解析：

1. 配置串口连接：使用 SerialPort 类设置串口连接，包括端口号、波特率、校验位等。
2. 创建 Modbus RTU 客户端：通过 ModbusSerialMaster.CreateRtu() 创建 Modbus RTU 客户端。
3. 读取寄存器：通过 ReadHoldingRegisters 方法读取指定从站地址和寄存器范围的数据。
4. 关闭串口连接：通信完成后，关闭串口。

常见 Modbus RTU 操作：

• 读取数据：ReadCoils()、ReadDiscreteInputs()、ReadHoldingRegisters()、ReadInputRegisters()。
• 写入数据：WriteSingleCoil()、WriteSingleRegister()、WriteMultipleCoils()、WriteMultipleRegisters()。

4. 错误处理和调试

在实际使用 Modbus 协议进行通信时，错误处理和调试至关重要。常见的错误包括连接超时、通信中断、数据格式错误等。

错误处理示例：

try
{
    // 读取寄存器
    ushort[] registers = modbusTcpMaster.ReadHoldingRegisters(startAddress, numRegisters);
}
catch (SocketException ex)
{
    Console.WriteLine($"网络错误：{ex.Message}");
}
catch (IOException ex)
{
    Console.WriteLine($"I/O 错误：{ex.Message}");
}
catch (Exception ex)
{
    Console.WriteLine($"未知错误：{ex.Message}");
}

通过捕获不同类型的异常，你可以更精确地定位问题所在，便于调试和修复。

5. 小结

在 C# 中实现 Modbus 通信非常简单，通过使用 NModbus 库，我们能够轻松地构建 Modbus TCP 和 Modbus RTU 客户端。无论是与工业设备、传感器，还是 PLC 通信，Modbus 都是一个可靠且高效的选择。

本教程展示了如何在 C# 中使用 NModbus 库实现 Modbus TCP 和 Modbus RTU 通信。通过这些示例，你可以快速入门并根据自己的需求进一步扩展和优化代码。希望本教程能帮助你实现与各种 Modbus 设备的高效通信。