Socket-TCP 上位机下位机数据交互框架

简介: Socket-TCP 上位机下位机数据交互框架

Socket-TCP 上位机 ↔ 下位机数据交互框架(C# WinForm 版本)
框架特点:

  • 上位机既做“客户端”又可秒切“TCP服务器”,适应不同场景
  • 支持 01 线圈 / 03 保持寄存器 / 04 输入寄存器 的任意地址位配置
  • 实时日志、自动重连、断线检测、CRC16 校验
  • 线程安全:收发线程与 UI 线程解耦,不卡界面
  • 协议扩展:预留“私有协议”接口,可快速改为 Modbus-TCP、自定义帧格式

1. 工程准备

依赖 NuGet 指令
日志 Install-Package NLog
CRC16 Install-Package Crc16

2. 核心代码目录

/FrmMain.cs        // UI
/TcpLink.cs        // 连接管理
/ProtocolCodec.cs  // 协议编解码
/DataStore.cs      // 地址-数据映射(01 03 04)

3. 代码

3.1 连接管理(TcpLink.cs)

public class TcpLink : IDisposable
{
   
    private TcpClient _tcp;
    private NetworkStream _ns;
    private readonly CancellationTokenSource _cts = new();
    public event Action<byte[]> OnReceived;
    public bool IsConnected => _tcp?.Connected == true;

    // 作为客户端连接
    public async Task ConnectAsync(string ip, int port)
    {
   
        _tcp = new TcpClient();
        await _tcp.ConnectAsync(ip, port);
        _ns = _tcp.GetStream();
        _ = Task.Run(() => ReceiveLoop(_cts.Token));
    }

    // 作为服务器监听
    public async Task StartServerAsync(int port)
    {
   
        var listener = new TcpListener(IPAddress.Any, port);
        listener.Start();
        var client = await listener.AcceptTcpClientAsync();
        _tcp = client; _ns = client.GetStream();
        _ = Task.Run(() => ReceiveLoop(_cts.Token));
    }

    public async Task SendAsync(byte[] data)
    {
   
        if (!IsConnected) return;
        await _ns.WriteAsync(data, 0, data.Length);
    }

    private async Task ReceiveLoop(CancellationToken ct)
    {
   
        var buf = new byte[1024];
        while (!ct.IsCancellationRequested)
        {
   
            var len = await _ns.ReadAsync(buf, 0, buf.Length, ct);
            if (len == 0) break; // 断线
            OnReceived?.Invoke(buf.AsSpan(0, len).ToArray());
        }
    }

    public void Dispose()
    {
   
        _cts.Cancel();
        _ns?.Dispose();
        _tcp?.Close();
    }
}

3.2 地址-数据映射(DataStore.cs)

public class DataStore
{
   
    private readonly bool[] _coils = new bool[1000];          // 01
    private readonly ushort[] _holdingRegs = new ushort[1000]; // 03
    private readonly ushort[] _inputRegs = new ushort[1000];   // 04

    public bool[] Coils => _coils;
    public ushort[] HoldingRegs => _holdingRegs;
    public ushort[] InputRegs => _inputRegs;

    // 示例:设置单个线圈
    public void SetCoil(ushort addr, bool value) => _coils[addr] = value;
    public bool GetCoil(ushort addr) => _coils[addr];

    // 示例:设置保持寄存器
    public void SetHolding(ushort addr, ushort value) => _holdingRegs[addr] = value;
    public ushort GetHolding(ushort addr) => _holdingRegs[addr];
}

3.3 Modbus-TCP 协议编解码(ProtocolCodec.cs)

public static class ProtocolCodec
{
   
    public static byte[] BuildReadHolding(ushort addr, ushort qty, byte slaveId)
    {
   
        var ms = new MemoryStream();
        var bw = new BinaryWriter(ms);
        bw.Write((ushort)0x0000);      // 事务标识
        bw.Write((ushort)0x0000);      // 协议标识
        bw.Write((ushort)0x0006);      // 长度
        bw.Write(slaveId);
        bw.Write((byte)0x03);          // 功能码 03
        bw.Write(addr);
        bw.Write(qty);
        return ms.ToArray();
    }

    public static bool TryDecode(byte[] raw, out byte fn, out ushort addr, out ushort[] values)
    {
   
        if (raw.Length < 8) {
    fn = 0; addr = 0; values = null; return false; }
        fn = raw[7];
        addr = (ushort)(raw[8] << 8 | raw[9]);
        var qty = (ushort)(raw[10] << 8 | raw[11]);
        values = new ushort[qty];
        var bytes = raw.AsSpan(9 + 2);
        for (int i = 0; i < qty; i++)
            values[i] = (ushort)(bytes[i * 2] << 8 | bytes[i * 2 + 1]);
        return true;
    }
}

3.4 WinForm 调用(FrmMain.cs)

public partial class FrmMain : Form
{
   
    private readonly TcpLink _link = new();
    private readonly DataStore _store = new();

    public FrmMain()
    {
   
        InitializeComponent();
        _link.OnReceived += bytes =>
        {
   
            if (ProtocolCodec.TryDecode(bytes, out var fn, out var addr, out var vals))
            {
   
                // 更新 UI
                this.Invoke(() => UpdateUI(fn, addr, vals));
            }
        };
    }

    private async void btnConnect_Click(object sender, EventArgs e)
    {
   
        await _link.ConnectAsync(txtIP.Text, int.Parse(txtPort.Text));
        lblStatus.Text = "已连接";
    }

    private async void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
    {
   
        ushort addr = ushort.Parse(txtAddr.Text);
        ushort qty = 1;
        var frame = ProtocolCodec.BuildReadHolding(addr, qty, 1);
        await _link.SendAsync(frame);
    }

    private void UpdateUI(byte fn, ushort addr, ushort[] vals)
    {
   
        if (fn == 0x03) txtValue.Text = vals[0].ToString();
    }
}

4. 运行步骤

  1. 下位机(如STM32)作为 TCP服务器 监听 502 端口,实现 Modbus-TCP 协议。
  2. 上位机输入服务器 IP → 连接 → 点击“读保持寄存器”即可实时获取数据。
  3. 如需私有协议,只需替换 ProtocolCodec 即可;所有通信逻辑复用。

参考代码 soket、tcp上位机与下位机数据交互框架 www.youwenfan.com/contentald/112324.html

5. 可扩展功能

  • 心跳包:定时发送,断线自动重连
  • CRC16 校验:在 ProtocolCodec 中加入 Crc16.ComputeChecksum()
  • 日志:使用 NLog 记录收发帧
  • 多线程:UI 线程与通信线程完全隔离,避免卡顿
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