C#-串口通信入门及进阶扩展

符号	意义	逻辑介绍	示例
~	逻辑非	取反	~a
&a mp;	逻辑与	清0	a&b
\|	逻辑或	置1	a\|b
<<	按位左移，超出舍掉	乘以2的n次方	a<<n
>>	按位右移，超出舍掉	除以2的n次方	a>>n
^	异或	不同置1，相同清0	a^b

三次异或，可使变量值互换，示例如下：

int a = 13;
int b = 20;
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
Console.WriteLine($"a:{a}b:{b}");

2、负数、浮点数存储 方式

负数在计算机中是以补码的形式存储，补码计算方式：

最高位为符号位，负数符号位为1，正数为0；
除符号位，所有位取反得到反码；
反码＋1得到补码；

浮点数一般分为单精度与双精度两种，在计算机中的存储方式通常分为三部分：

符号位：正数为0，负数为1；
指数位：用于存储科学计数法中的指数部分；
小数位：用于表示小数部分，不足补0

单精度float 格式：

符号位	指数位	小数位
1bit	8bit s	23bi ts

双精度double格式：

符号位	指数位	小数位
1bit	11bi ts	52bi ts

float示例：

8.25转化为二进制表示为：整数部分除2取余，小数部分乘2取整，得到1000.01

科学计数法表示为：1.00001*2的3次方，指数为3（指数范围为-126-127），为消除负数影响，得到的指数＋127，得130，即指数1000 0010，小数：00001，存储格式如下：

符号位	指数位	小数位
0	1000 0010	000 0100 0000 0000 0000 0000

3、数据校验算法

由于数据传输距离的因素影响，计算机和受控设备间的通信数据常常出现不可预知的错误，为了避免错误带来的影响，通常会在通信时对数据进行校验。

3.1、奇偶校验

每8位加一个奇偶校验位，

奇校验：若数据位中1的数量为偶数，则校验位置1凑齐奇数个1，反之置0；

偶校验：若数据为中1的数量为奇数，则校验位置1凑齐偶数个1，反之置0；

缺点：减慢传输速率，偶数个错误时检测不出（出错率五五开）；

3.2、LRC

纵向冗余校验（Longitudinal Redundancy Chec k，LRC），又称逐字节奇偶校验，将数据依字节为单位纵向排列，所有字节相同位全部异或（奇数个1为1，反之为0），计算出一个字节的结果。

缺点：纵向偶数个错误时检测不出；

3.3、累加和校验

将数据的每个字节的值相加，其结果减去255的倍数（控制在0-255区间），然后放在数据最后，接收方接收数据后累加和后与校验值比对；

单个字符出错率1/256

3.4、CRC

介绍

CRC，循环冗余校验，使用的算法思想为除法，将余数作为校验值放在数据末尾；

模二除法（二进制的除法），CRC实际就是模二除法的升级版，通过借位（位移），将余数补在原数据末尾，以此来消掉余数。（接收端将修改后的数据与生成项模二相除没有余数即代表数据无误）

CRC除数叫生成多项式，又称生成项，不同的生成项有不同的CRC，如：CRC8、CRC16、CRC-USB、CRC32……。（二进制转多项式：数字中多少位1代表的是x的多少次方）

模二除法举例：

模二借位举例：

常用多项式表

CRC-8

CRC-8，8位校验码，适用于对数据简单校验的场景，常见的应用领域包括遥控器、智能家居等，示例如下：

    public static byte CalcCrc8(byte[] data)
    {
        byte crc = 0x00;
        byte polynomial = 0x8C; // CRC-8 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= b;
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc &amp; 0x80) != 0)
                {
                    crc = (byte)((crc << 1) ^ polynomial);
                }
                else
                {
                    crc <<= 1;
                }
            }
        }
        return crc;
    }

CRC-16

CRC-16，16位校验码，适用于中等程度校验场景，常见的应用领域包括Modbus通信协议、SD卡存储等，示例如下：

    public static ushort CalcCrc16(byte[] data)
    {
        ushort crc = 0xFFFF;
        ushort polynomial = 0xA001; // CRC-16 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= (ushort)(b << 8);
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc &amp; 0x01) == 0x01)
                {
                    crc >>= 1;
                    crc ^= polynomial;
                }
                else
                {
                    crc >>= 1;
                }
            }
        }
        return crc;
    }

CRC-32

CRC-32，32位校验码，适用于对数据需高强度校验的场景，常见的应用领域包括网络通信、文件传输、数据库存储等，示例如下：

    public static uint CalcCrc32(byte[] data)
    {
        uint crc = 0xFFFFFFFF;
        uint polynomial = 0xEDB88320; // CRC-32 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= b;
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x00000001) != 0)
                {
                    crc = (crc >> 1) ^ polynomial;
                }
                else
                {
                    crc >>= 1;
                }
            }
        }
        return ~crc;
    }

CRC-USB

CRC-USB，CRC特殊算法之一，适用于USB接口，例如USB 1.1、USB 2.0等协议中的数据校验，示例如下：

    public static uint CalcCrcUsb(byte[] data)
    {
        uint crc = 0xFFFFFFFF;
        uint polynomial = 0x04C11DB7; // USB 多项式
        foreach (byte b in data)
        {
            crc ^= (uint)(b << 24);
            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if ((crc & 0x80000000) != 0)
                {
                    crc = (crc << 1) ^ polynomial;
                }
                else
                {
                    crc <<= 1;
                }
            }
        }
        return ~crc;
    }

4、Modbus通信协议

4.1、介绍

Modbus，串行通信协议，属于OSI七层模型中的应用层，最初设计用于可编程逻辑控制器（PLC），Modbus是一种开放式协议，物理层支持使用RS232/RS485/RS422协议的串行设备，同时还支持调制解调器；

Modbus通过设备之间的串行线进行数据传输，最简单的设置是使用一根串行电缆连接两个设备（主设备和从设备）上的串行端口；

Modbus遵循主从模式通信，实现主站与一个(单播)或多个(广播)从站交换报文数据，通信由主机发起，一问一答式，从设备无法主动向主机发送数据。

常用类别有Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP，这里主要介绍Modbus-RTU；

4.2、Modbus-RTU

报文格式：

地址码	功能码	数据	CRC-16
1字节	1字节	n字节	2字节

地址码：0为主机广播地址，1-247为从机地址，248-255保留；

功能码：常用功能码如下表：

代码	名称	作用
01	读取线圈状态	取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)
02	读取输入状态	取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF)
03	读取保持寄存器	在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值
04	读取输入寄存器	在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值
05	强置(写)单线圈	强置一个逻辑线圈的通断状态
06	预置(写)单寄存器	放置一个特定的二进制值到一个单寄存器中
07	读取异常状态	取得8个内部线圈的通断状态
15	强置(写)多线圈	强置一串连续逻辑线圈的通断
16	预置(写)多寄存器	放置一系列特定的二进制值到一系列多寄存器中
17	报告从机标识	可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态

数据：通常包括起始地址、数据长度或数据，都为大端模式（低位存于高地址）；

CRC校验：通常使用16位校验码，采用小端模式（低位存于低地址）；

Modbus-Rtu报文封装示例（仅供参考）：

        /// <summary>
        /// MODEBUS_RTU通信数据
        /// </summary>
        /// <param name="devadress">地址码</param>
        /// <param name="funccode">功能码</param>
        /// <param name="paraadress">读/写参数代号地址（起始地址）</param>
        /// <param name="value">读取数据长度或写数据值</param>
        /// <returns></returns>
        public static List<byte> GetModbusData(byte devadress, byte funccode, int paraadress, int value)
        {
            List<byte> data = new List<byte>()
            {
                devadress,
                funccode,
            };

            var high = (paraadress & 0xFF00) >> 8;//高8位
            var low = paraadress & 0xFF;//低8位
            data.Add(Convert.ToByte(high));
            data.Add(Convert.ToByte(low));

            high = (value & 0xFF00) >> 8;
            low = value & 0xFF;
            data.Add(Convert.ToByte(high));
            data.Add(Convert.ToByte(low));

            var res = Crc16.CRC16(data.ToArray());//16位校验
            high = (res & 0xFF00) >> 8;
            low = res & 0xFF;
            data.Add(Convert.ToByte(low));
            data.Add(Convert.ToByte(high));

            return data;
        }