C#实现TCP串口转网口通信工具开发指南
一、概述
在工业自动化和物联网领域，串口设备（如PLC、传感器等）常常需要通过网络进行远程监控和通信。基于TCP的串口转网口工具可以帮助我们实现这种需求，同时支持Modbus协议的读写操作，非常适合在具体工业场景中使用。本文将详细介绍基于C#的串口转网口工具的开发过程，包括功能设计、代码实现以及配置管理。
二、功能需求分析
串口通信支持：
配置串口参数（如波特率、数据位、停止位、校验位等）。
支持Modbus协议，读取串口设备中的寄存器数据。
网络通信支持：
配置TCP监听地址和端口。
支持多个客户端连接，实现数据转发功能。
心跳检测：
支持心跳包功能，确保网络连接的可靠性。
配置管理：
实现配置文件管理，保存和加载串口和TCP服务器的设置。
可视化界面：
提供用户界面，直观展示串口、网口状态和传输数据。
三、代码架构设计
1. 主要组件
串口通信模块：
使用SerialPort类管理串口通信。
使用Modbus.Device库处理Modbus协议。
TCP服务模块：
使用TcpListener和TcpClient实现TCP通信。
支持多客户端连接管理。
心跳包机制：
使用Timer控件定时发送心跳包。
配置管理：使用ConfigurationManager管理配置文件。
2. 数据流向
串口到网口：串口接收到数据后，转发给所有已连接的TCP客户端。
网口到串口：TCP客户端发送的数据通过串口发送。
Modbus协议处理：根据Modbus协议读取串口设备的数据，并转发给TCP客户端。
四、代码实现
1. 界面设计
界面分为以下部分：
指示灯：显示串口和网口的状态（绿色为正常，红色为异常）。
串口配置：设置串口参数。
服务器配置：设置TCP服务器的IP地址和端口。
心跳设置：设置心跳包的间隔、内容和HEX模式。
2. 代码实现
2.1 初始化与配置加载
private bool Init()
{
try
{
// 加载串口配置
for (int i = 1; i <= 8; i++)
{
cbPortName.Items.Add("COM" + i);
cbBTL.Items.Add((1200 * Math.Pow(2, i - 1)).ToString());
if (i >= 5)
{
cbSJW.Items.Add(i.ToString());
}
if (i >= 1 && i <= 5)
{
cbJYW.Items.Add(Enum.GetName(typeof(Parity), i - 1));
}
if (i >= 1 && i <= 4)
{
cbSZW.Items.Add(Enum.GetName(typeof(StopBits), i - 1));
}
}
cbPortName.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["SerialPort"];
cbBTL.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["BaudRate"];
cbSJW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["DataBits"];
cbJYW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["Parity"];
cbSZW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["StopBits"];
// 配置串口
serialPort = new SerialPort();
serialPort.PortName = cbPortName.SelectedItem.ToString();
serialPort.BaudRate = Convert.ToInt32(cbBTL.SelectedItem.ToString());
serialPort.DataBits = Convert.ToInt32(cbSJW.SelectedItem);
serialPort.Parity = (Parity)Enum.Parse(typeof(Parity), cbJYW.SelectedItem.ToString());
serialPort.StopBits = (StopBits)Enum.Parse(typeof(StopBits), cbSZW.SelectedItem.ToString());
// 配置服务器
tbIP.Text = ConfigurationManager.AppSettings["IPAddress"];
tbDK.Text = ConfigurationManager.AppSettings["Port"];
IPAddress ip = IPAddress.Parse(tbIP.Text.Trim());
int port = Convert.ToInt32(tbDK.Text.Trim());
tcpListener = new TcpListener(ip, port);
// 心跳包配置
radioButton1.Checked = bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartOn"]);
radioButton2.Checked = !bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartOn"]);
tbXTJG.Text = ConfigurationManager.AppSettings["HeartTime"];
tbXTNR.Text = ConfigurationManager.AppSettings["HeartContent"];
checkBox1.Checked = bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartHex"]);
timer1.Interval = Convert.ToInt32(tbXTJG.Text);
timer1.Tick += Timer1_Tick;
return true;
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show($"出错了: {ex.Message}");
return false;
}
}
2.2串口与Modbus初始化
private void StartSerialPort()
{
try
{
serialPort.Open();
master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort);
panel1.BackColor = Color.Lime; // 状态灯显示绿色
}
catch (Exception ex)
{
panel1.BackColor = Color.Red; // 状态灯显示红色
MessageBox.Show($"启动串口失败: {ex.Message}");
}
}
2.4 数据转发逻辑
private void AcceptData()
{
cts = new CancellationTokenSource();
Task.Run(() =>
{
while (!cts.IsCancellationRequested)
{
try
{
TcpClient client = tcpListener.AcceptTcpClient();
clients.Add(client);
Task.Run(async () =>
{
NetworkStream stream = client.GetStream();
while (!cts.IsCancellationRequested)
{
try
{
byte[] buffer = new byte[client.Available];
int length = await stream.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, length).Trim();
byte[] responseData = null;
switch (message)
{
case "温度值":
responseData = ReadWD();
break;
case "含水率":
responseData = ReadHS();
break;
case "电导率":
responseData = ReadDD();
break;
case "PH值":
responseData = ReadPH();
break;
case "盐度":
responseData = ReadYD();
break;
case "TDS":
responseData = ReadTDS();
break;
default:
// 如果不是特定命令，将消息转发给串口
serialPort.Write(buffer, 0, length);
break;
}
if (responseData != null)
{
await stream.WriteAsync(responseData, 0, responseData.Length);
}
Invoke((Action)(async () =>
{
tbread.Text = (Convert.ToInt32(tbread.Text) + length).ToString();
panel3.BackColor = Color.Lime;
await Task.Delay(100);
panel3.BackColor = Color.White;
}));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show($"出错: {ex.Message}");
break;
}
}
});
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show($"客户端连接异常: {ex.Message}");
}
}
});
}
2.5 心跳包机制
private void Timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
{
if (clients.Count == 0)
{
return;
}
byte[] buffer;
if (checkBox1.Checked) // 十六进制
{
string[] hexs = tbXTNR.Text.Split(new string[] { " " }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
buffer = new byte[hexs.Length];
for (int i = 0; i < hexs.Length; i++)
{
try
{
buffer[i] = Convert.ToByte(hexs[i], 16);
}
catch (FormatException)
{
MessageBox.Show("十六进制格式错误");
return;
}
}
}
else
{
buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(tbXTNR.Text.Trim());
}
for (int i = 0; i < clients.Count; i++)
{
if (clients[i].Connected)
{
NetworkStream stream = clients[i].GetStream();
stream.Write(buffer, 0, buffer.Length);
}
}
}
2.6 Modbus读取实现
private byte[] ReadWD()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x01, 1);
float temperature = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(temperature.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show($"读取温度值出错: {ex.Message}");
return new byte[0];
}
}
3. 配置文件管理
使用app.config文件保存设置：
4.保存配置
private void btnSave_Click(object sender, EventArgs e)
{
Configuration config = ConfigurationManager.OpenExeConfiguration(ConfigurationUserLevel.None);
config.AppSettings.Settings["SerialPort"].Value = cbPortName.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["BaudRate"].Value = cbBTL.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["DataBits"].Value = cbSJW.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["Parity"].Value = cbJYW.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["StopBits"].Value = cbSZW.SelectedItem.ToString();
config.Save(ConfigurationSaveMode.Modified);
ConfigurationManager.RefreshSection("appSettings");
MessageBox.Show("串口保存配置成功，重启查看效果");
}
五、功能测试
注意串口配对和配置情况
例如(COM1->COM2) 两两一组
波特率、数据位等信息要保持一致
服务器的配置可以根据自己的网络ip进行更改
并在资源管理器中点击引用 添加这两个.netget包
六、总结
本项目基于C#实现了一个完整的串口转网口工具，支持串口Modbus协议读写、TCP多客户端通信以及心跳机制，同时提供了配置文件管理功能。该工具适用于工业自动化、物联网等领域，具有较高的实用性和可扩展性。
完整的代码如下
using Modbus.Device;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Configuration;
using System.Drawing;
using System.Drawing.Drawing2D;
using System.IO.Ports;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
namespace 串口转网口
{
public partial class Form1 : Form
{
//串口网口都支持
IModbusMaster master;
SerialPort serialPort;
TcpListener tcpListener;
CancellationTokenSource cts;
List clients = new List();
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
#region 窗口加载负责对通信基础进行初始化
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
if (!Init())
{
// 关窗体
Close();
return;
}
// 启动串口
StartSerialPort();
StartTcpListener();
}
private void StartTcpListener()
{
try
{
tcpListener.Start();
panel2.BackColor = Color.Lime;
// 服务器启动后需要开启一个循环来接受新的客户端连接
AcceptData();
timer1.Enabled = radioButton1.Checked;
}
catch (Exception ex)
{
panel2.BackColor = Color.Red;
MessageBox.Show("启动TCP监听器失败: " + ex.Message);
}
}
private void AcceptData()
{
cts = new CancellationTokenSource();
Task.Run(() =>
{
while (!cts.IsCancellationRequested)
{
try
{
// 等待客户端连接
TcpClient client = tcpListener.AcceptTcpClient();
//这里添加到list里面是为了当串口收到消息时，能够找到在线的客户端，并发送消息
clients.Add(client);
//接收客户端的消息转发给串口
Task.Run(() =>
{
while (!cts.IsCancellationRequested)
{
try
{
byte[] buffer = new byte[client.Available];
NetworkStream stream = client.GetStream();
int length = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, length).Trim();
// 检查客户端发送的消息并读取相应的数据
byte[] responseData = null;
switch (message)
{
case "温度值":
responseData = ReadWD();
break;
case "含水率":
responseData = ReadHS();
break;
case "电导率":
responseData = ReadDD();
break;
case "PH值":
responseData = ReadPH();
break;
case "盐度":
responseData = ReadYD();
break;
case "TDS":
responseData = ReadTDS();
break;
default:
// 如果不是特定命令，将消息转发给串口
serialPort.Write(buffer, 0, length);
break;
}
if (responseData != null)
{
stream.Write(responseData, 0, responseData.Length);
}
Invoke((Action)(async () =>
{
tbread.Text = (Convert.ToInt32(tbread.Text) + length).ToString();
//模拟信号灯，有数据进来频闪
panel3.BackColor = Color.Lime;
await Task.Delay(100);
panel3.BackColor = Color.White;
}));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("出错: " + ex.Message);
break;
}
}
}, cts.Token);
}
catch (Exception ex)
{
}
}
}, cts.Token);
}
private void StartSerialPort()
{
try
{
serialPort.Open();
// 创建Modbus Master实例
master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(serialPort);
panel1.BackColor = Color.Lime;
}
catch (Exception ex)
{
panel1.BackColor = Color.Red;
MessageBox.Show("启动串口失败: " + ex.Message);
}
}
private bool Init()
{
try
{
for (int i = 1; i <= 8; i++)
{
cbPortName.Items.Add("COM" + i);
cbBTL.Items.Add((1200 * Math.Pow(2, i - 1)).ToString());
if (i >= 5)
{
cbSJW.Items.Add(i.ToString());
}
if (i >= 1 && i <= 5)
{
cbJYW.Items.Add(Enum.GetName(typeof(Parity), i - 1));
}
if (i >= 1 && i <= 4)
{
cbSZW.Items.Add(Enum.GetName(typeof(StopBits), i - 1));
}
}
cbPortName.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["SerialPort"];
cbBTL.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["BaudRate"];
cbSJW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["DataBits"];
cbJYW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["Parity"];
cbSZW.SelectedItem = ConfigurationManager.AppSettings["StopBits"];
// 配置串口
serialPort = new SerialPort();
serialPort.PortName = cbPortName.SelectedItem.ToString();
serialPort.BaudRate = Convert.ToInt32(cbBTL.SelectedItem.ToString());
serialPort.DataBits = Convert.ToInt32(cbSJW.SelectedItem);
serialPort.Parity = (Parity)Enum.Parse(typeof(Parity), cbJYW.SelectedItem.ToString());
serialPort.StopBits = (StopBits)Enum.Parse(typeof(StopBits), cbSZW.SelectedItem.ToString());
// 配置服务器
tbIP.Text = ConfigurationManager.AppSettings["IPAddress"];
tbDK.Text = ConfigurationManager.AppSettings["Port"];
// 初始化服务器信息
IPAddress ip = IPAddress.Parse(tbIP.Text.Trim());
int port = Convert.ToInt32(tbDK.Text.Trim());
tcpListener = new TcpListener(ip, port);
// 心跳包配置
radioButton1.Checked = bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartOn"]);
radioButton2.Checked = !bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartOn"]); // 确保两个单选按钮互斥
tbXTJG.Text = ConfigurationManager.AppSettings["HeartTime"];
tbXTNR.Text = ConfigurationManager.AppSettings["HeartContent"];
checkBox1.Checked = bool.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["HeartHex"]);
// 心跳包通过Timer控件来控制
timer1.Interval = Convert.ToInt32(tbXTJG.Text);
timer1.Tick += Timer1_Tick;
return true;
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("出错了: " + ex.Message);
return false;
}
}
private void Timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
{
if (clients.Count == 0)
{
return;
}
byte[] buffer;
if (checkBox1.Checked) // 十六进制
{
string[] hexs = tbXTNR.Text.Split(new string[] { " " }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
buffer = new byte[hexs.Length];
for (int i = 0; i < hexs.Length; i++)
{
try
{
buffer[i] = Convert.ToByte(hexs[i], 16);
}
catch (FormatException)
{
MessageBox.Show("十六进制格式错误");
return;
}
}
}
else
{
// 心跳内容为字符串
buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(tbXTNR.Text.Trim());
}
for (int i = 0; i < clients.Count; i++)
{
if (clients[i].Connected)
{
NetworkStream stream = clients[i].GetStream();
stream.Write(buffer, 0, buffer.Length);
}
}
}
private byte[] ReadWD()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x01, 1);
float temperature = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(temperature.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("读取温度值出错: " + ex.Message);
return new byte[0]; // 返回空字节数组
}
}
private byte[] ReadHS()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x00, 1);
float humidity = data[0] / 10F;
string debugMsg = $"读取含水率: 原始值={data[0]}, 计算值={humidity}";
Console.WriteLine(debugMsg); // 在输出窗口查看
return Encoding.UTF8.GetBytes(humidity.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine($"读取含水率出错: {ex.Message}");
return new byte[0];
}
}
private byte[] ReadDD()
{
try
{
// 假设电导率在Modbus地址0x02
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x02, 1);
float conductivity = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(conductivity.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("读取电导率出错: " + ex.Message);
return new byte[0]; // 返回空字节数组
}
}
private byte[] ReadPH()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x03, 1);
float conductivity = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(conductivity.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("读取电导率出错: " + ex.Message);
return new byte[0]; // 返回空字节数组
}
}
private byte[] ReadYD()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x07, 1);
float conductivity = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(conductivity.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("读取电导率出错: " + ex.Message);
return new byte[0]; // 返回空字节数组
}
}
private byte[] ReadTDS()
{
try
{
ushort[] data = master.ReadHoldingRegisters(1, 0x08, 1);
float conductivity = data[0] / 10F;
return Encoding.UTF8.GetBytes(conductivity.ToString("N1"));
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("读取电导率出错: " + ex.Message);
return new byte[0]; // 返回空字节数组
}
}
#endregion
#region 串口保存
private void btnSave_Click(object sender, EventArgs e)
{
Configuration config = ConfigurationManager.OpenExeConfiguration(ConfigurationUserLevel.None);
config.AppSettings.Settings["SerialPort"].Value = cbPortName.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["BaudRate"].Value = cbBTL.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["DataBits"].Value = cbSJW.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["Parity"].Value = cbJYW.SelectedItem.ToString();
config.AppSettings.Settings["StopBits"].Value = cbSZW.SelectedItem.ToString();
config.Save(ConfigurationSaveMode.Modified);
ConfigurationManager.RefreshSection("appSettings");
MessageBox.Show("串口保存配置成功，重启查看效果");
}
private void btnSave2_Click(object sender, EventArgs e)
{
Configuration config = ConfigurationManager.OpenExeConfiguration(ConfigurationUserLevel.None);
config.AppSettings.Settings["IPAddress"].Value = tbIP.Text.Trim();
config.AppSettings.Settings["Port"].Value = tbDK.Text.Trim();
config.Save();
MessageBox.Show("服务器保存配置成功，重启查看效果");
}
private void btnSave3_Click(object sender, EventArgs e)
{
Configuration config = ConfigurationManager.OpenExeConfiguration(ConfigurationUserLevel.None);
config.AppSettings.Settings["HeartOn"].Value = radioButton1.Checked ? "true" : "false";
config.AppSettings.Settings["HeartTime"].Value = tbXTJG.Text.Trim();
config.AppSettings.Settings["HeartContent"].Value = tbXTNR.Text.Trim();
config.AppSettings.Settings["HeartHex"].Value = checkBox1.Checked.ToString();
config.Save();
MessageBox.Show("心跳包保存配置成功，重启查看效果");
}
#endregion
#region 心跳开关
private void radioButton1_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
timer1.Enabled = radioButton1.Checked;
}
private void radioButton2_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
timer1.Enabled = radioButton2.Checked;
}
#endregion
private void btnread_Click(object sender, EventArgs e)
{
}
}
}