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C# TCP - 串口转发

news 2025/9/29 7:49:40

C# TCP - 串口转发服务器代码笔记

一、项目概述

该项目是一个基于 C# WinForms 的TCP 服务器与串口通信结合的转发系统，核心功能是实现 “TCP 客户端 ↔ 服务器 ↔ 串口设备” 之间的双向数据转发，适用于需要通过网络远程控制串口设备或读取串口设备数据的场景（如工业控制、物联网设备监控等）。

二、核心功能模块

1. 配置管理模块

1.1 功能说明

自动加载并显示本机 IPv4 地址、串口列表及通信参数（波特率、数据位等）
支持从配置文件（App.config）读取历史配置，实现 “配置持久化”
提供配置保存功能，修改后需重启服务器生效

1.2 关键代码解析

// 1. 绑定串口参数（波特率、数据位等）
private void BindData()
{// 加载本机IPv4地址string hostName = Dns.GetHostName();IPAddress[] addresses = Dns.GetHostAddresses(hostName);foreach (IPAddress address in addresses){if (address.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork) // 筛选IPv4IP = address.ToString();}
// 从配置文件读取历史配置（优先级：配置文件 > 自动获取）txtIP.Text = IP != ConfigurationManager.AppSettings["IP"] ? IP : ConfigurationManager.AppSettings["IP"];txtPort.Text = ConfigurationManager.AppSettings["Port"];cbbPortNames.Text = ConfigurationManager.AppSettings["PortName"];// ... 其他参数（波特率、数据位等）同理
}

// 2. 保存配置到App.config
private void btnSave_Click(object sender, EventArgs e)
{// 输入校验（非空判断）if (string.IsNullOrWhiteSpace(txtIP.Text)){MessageBox.Show("服务器IP不能为空！", "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);return;}
// 写入配置文件Configuration config = ConfigurationManager.OpenExeConfiguration(ConfigurationUserLevel.None);config.AppSettings.Settings["IP"].Value = txtIP.Text.Trim();config.AppSettings.Settings["Port"].Value = txtPort.Text.Trim();// ... 其他参数同理config.Save(); // 保存配置MessageBox.Show("保存配置成功！\n请重新启动服务器！", "提示");
}

1.3 注意事项

配置文件需提前在项目中创建，需包含IP、Port、PortName等关键字段
保存配置后需重启服务器，配置才会生效

2. 服务器启停模块

2.1 功能说明

启动：同时初始化 TCP 服务器和串口，禁用配置修改控件，更新状态指示（绿色 = 运行）
停止：关闭 TCP 服务器和串口，启用配置修改控件，更新状态指示（红色 = 停止）

2.2 关键代码解析

// 1. 启动服务器（TCP+串口）
private void StartServer()
{// 初始化串口serialPort1.PortName = cbbPortNames.Text;serialPort1.BaudRate = int.Parse(cbbBaudRate.Text);serialPort1.DataBits = int.Parse(cbbDataBits.Text);serialPort1.StopBits = (StopBits)Enum.Parse(typeof(StopBits), cbbStopBits.Text); // 枚举转换serialPort1.Parity = (Parity)Enum.Parse(typeof(Parity), cbbParity.Text);serialPort1.Open(); // 打开串口
// 初始化TCP服务器server = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);int port = int.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["Port"]);IPEndPoint ipEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, port); // 监听所有网卡的指定端口server.Bind(ipEndPoint); // 绑定IP和端口server.Listen(100); // 最大监听队列100
// 更新UI状态btnStart.Text = "停止";txtIP.Enabled = false; // 禁用配置修改panelSerialPort.BackColor = Color.Lime; // 串口运行（绿色）panelNetwork.BackColor = Color.Lime; // 网络运行（绿色）
}

// 2. 停止服务器
private void StopServer()
{server.Close(); // 关闭TCP服务器serialPort1.Close(); // 关闭串口
// 恢复UI状态btnStart.Text = "启动";txtIP.Enabled = true; // 启用配置修改panelSerialPort.BackColor = Color.Red; // 串口停止（红色）panelNetwork.BackColor = Color.Red; // 网络停止（红色）
}

// 3. 启停触发按钮
private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
{try{if (!serialPort1.IsOpen) // 未启动 → 启动{StartServer();  AcceptData(); // 启动数据接收任务}else // 已启动 → 停止{CacelAcceptData(); // 取消数据接收任务StopServer();       }}catch (Exception ex){MessageBox.Show(ex.Message, "错误", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);}
}

2.3 注意事项

启动前需确保串口未被其他程序占用，TCP 端口未被占用
枚举转换（StopBits/Parity）需保证下拉框值与枚举名一致（如 “One” 对应StopBits.One）

3. 数据转发模块

3.1 核心流程

TCP 客户端 → 服务器 → 串口设备：服务器接收 TCP 客户端数据，通过串口转发给设备
串口设备 → 服务器 → TCP 客户端：服务器接收串口设备应答数据，广播转发给所有 TCP 客户端

3.2 关键代码解析

3.2.1 接收 TCP 客户端数据并转发到串口

private void AcceptData()
{cts1 = new CancellationTokenSource(); // 任务取消令牌（用于停止时中断任务）Task.Run(() => // 异步任务（避免阻塞UI）{while (!cts1.IsCancellationRequested){// 1. 接收TCP客户端连接Socket client = server.Accept(); // 阻塞等待新连接string clientKey = client.RemoteEndPoint.ToString(); // 客户端标识（IP:端口）// 去重：移除已存在的相同客户端if (clients.ContainsKey(clientKey))clients.Remove(clientKey);clients.Add(clientKey, client); // 加入客户端字典
// 2. 接收该客户端的持续数据cts2 = new CancellationTokenSource();Task.Run(() =>{while (!cts2.IsCancellationRequested){byte[] buffer = new byte[client.Available]; // 根据可用数据长度创建缓冲区int len = client.Receive(buffer); // 接收客户端数据
if (len > 0){// 转发到串口serialPort1.Write(buffer, 0, len);
// 异步更新UI（数据统计、状态闪烁）Invoke(new Action(async () =>{txtSendByte.Text = (int.Parse(txtSendByte.Text) + len).ToString(); // 发送字节数统计panelReceive.BackColor = Color.Lime; // 接收状态闪烁（绿色）await Task.Delay(70); // 闪烁时长panelReceive.BackColor = Color.Gray;}));}}}, cts2.Token);}}, cts1.Token);
}

3.2.2 接收串口数据并广播到所有 TCP 客户端

// 串口数据接收事件（设备应答数据）
private void serialPort1_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{byte[] buffer = new byte[serialPort1.BytesToRead]; // 缓冲区长度=可用数据长度int len = serialPort1.Read(buffer, 0, buffer.Length); // 读取串口数据
if (len > 0){// 广播到所有TCP客户端foreach (var dict in clients){Socket client = dict.Value;if (client != null && client.Connected) // 确保客户端连接正常{client.Send(buffer); // 转发数据
// 异步更新UI（接收字节数统计、状态闪烁）Invoke(new Action(async () =>{txtReceiveByte.Text = (int.Parse(txtReceiveByte.Text) + len).ToString(); // 接收字节数统计panelSend.BackColor = Color.Lime; // 发送状态闪烁（绿色）await Task.Delay(70);panelSend.BackColor = Color.Gray;}));}}}
}

3.3 注意事项

数据缓冲区长度使用client.Available/serialPort1.BytesToRead，避免内存浪费
跨线程更新 UI 需使用Invoke（WinForms 控件线程安全限制）
客户端管理使用Dictionary<string, Socket>，键为客户端IP:端口，便于去重和广播

4. 安全与异常处理模块

4.1 功能说明

任务取消：通过CancellationTokenSource安全中断异步数据接收任务
窗体关闭保护：服务器运行时禁止关闭窗体，避免资源泄漏
输入校验：保存配置前检查关键参数非空

4.2 关键代码解析

// 1. 取消数据接收任务
private void CacelAcceptData()
{cts2?.Cancel(); // 取消单个客户端数据接收任务cts1?.Cancel(); // 取消客户端连接监听任务
}

// 2. 窗体关闭保护
private void Server_FormClosing(object sender, FormClosingEventArgs e)
{if (serialPort1.IsOpen) // 服务器运行中 → 禁止关闭{e.Cancel = true; // 取消关闭操作MessageBox.Show("服务器正在运行中，请停止服务器后，再关闭！", "错误", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);}
}

三、UI 控件说明

控件类型	控件名称	用途
TextBox	txtIP	显示 / 输入服务器 IP
TextBox	txtPort	显示 / 输入 TCP 端口
ComboBox	cbbPortNames	选择串口名称（如 COM3）
ComboBox	cbbBaudRate	选择波特率（如 9600、115200）
ComboBox	cbbDataBits	选择数据位（5-8）
ComboBox	cbbStopBits	选择停止位（One、Two 等）
ComboBox	cbbParity	选择校验位（None、Odd 等）
Button	btnStart	启动 / 停止服务器
Button	btnSave	保存配置到 App.config
TextBox	txtSendByte	统计转发到串口的字节数
TextBox	txtReceiveByte	统计从串口接收的字节数
Panel	panelSerialPort	串口状态指示（绿 = 运行，红 = 停）
Panel	panelNetwork	TCP 服务器状态指示
Panel	panelReceive	TCP 数据接收状态闪烁
Panel	panelSend	串口数据转发状态闪烁

四、常见问题与解决方案

串口打开失败
- 原因：串口被其他程序占用、串口名称选择错误
- 解决方案：关闭占用串口的程序，重新选择正确的串口
TCP 端口绑定失败
- 原因：端口被其他程序占用、端口号超出范围（0-65535）
- 解决方案：更换未占用的端口，确保端口号合法
跨线程更新 UI 报错
- 原因：WinForms 控件不允许非 UI 线程直接修改
- 解决方案：使用Invoke(new Action(() => { ... }))包裹 UI 更新代码
配置保存后不生效
- 原因：配置需重启服务器加载
- 解决方案：保存后关闭服务器，重新启动
客户端连接后无法接收数据
- 原因：客户端未正确连接、数据缓冲区长度不足
- 解决方案：检查客户端 IP 和端口是否正确，确保缓冲区长度足够（建议使用固定长度缓冲区如 1024，避免client.Available=0时缓冲区为空）

五、扩展建议

增加日志功能：记录客户端连接 / 断开、数据转发详情，便于问题排查
客户端心跳检测：定期检测客户端连接状态，移除断开的客户端
数据格式解析：支持自定义协议（如帧头 + 数据 + 校验位），过滤无效数据
多串口支持：扩展为多串口转发，适配多个设备
UI 优化：增加客户端列表显示（当前连接的客户端 IP: 端口），支持手动断开指定客户端

C# TCP 客户端（Modbus 协议）代码笔记

一、项目概述

该客户端是基于 C# WinForms + TCP 协议 + Modbus-RTU 协议 的设备通信工具，核心功能是与前文的 “TCP - 串口转发服务器” 交互，实现对串口设备的 数据读取（Modbus 功能码 03） 和 数据写入（Modbus 功能码 06），适用于工业设备（如传感器、控制器）的远程监控与控制场景。

二、核心技术栈

网络通信：Socket 类实现 TCP 客户端，支持异步连接、发送、接收
协议处理：Modbus-RTU 协议（功能码 03 读保持寄存器、功能码 06 写单个寄存器）
数据校验：CRC16 循环冗余校验（确保 Modbus 报文完整性）
异步编程：Task + CancellationTokenSource 实现非阻塞通信，避免 UI 卡顿

三、核心功能模块

1. TCP 连接管理模块

1.1 功能说明

建立连接：根据输入的服务器 IP 和端口，异步创建 TCP 连接
断开连接：关闭 Socket，释放资源，恢复 UI 可编辑状态
状态控制：连接成功后禁用 IP / 端口输入，切换按钮文本为 “断开”

1.2 关键代码解析

csharp

private async void btnConnOrClose_Click(object sender, EventArgs e)
{try{if (btnConnOrClose.Text == "连接"){// 1. 初始化TCP Socket（IPv4、流式传输、TCP协议）client = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);// 2. 异步连接服务器（避免阻塞UI）// 解析IP和端口：IPAddress.Parse(txtIP.Text) → 转换为IP地址对象；int.Parse(txtPort.Text) → 转换为端口号await client.ConnectAsync(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(txtIP.Text), int.Parse(txtPort.Text)));// 3. 更新UI状态（连接成功）btnConnOrClose.Text = "断开"; // 按钮文本切换为“断开”txtIP.Enabled = false; // 禁用IP输入txtPort.Enabled = false; // 禁用端口输入}else{// 1. 断开连接：先关闭连接，再释放Socketclient.Disconnect(false); // false = 不允许后续重用Socketclient.Close(); // 关闭Socket，释放资源client = null; // 置空，避免空引用// 2. 恢复UI状态（断开成功）btnConnOrClose.Text = "连接"; // 按钮文本切换为“连接”txtIP.Enabled = true; // 启用IP输入txtPort.Enabled = true; // 启用端口输入}}catch (Exception ex){// 异常处理（如IP格式错误、端口占用、服务器未启动等）MessageBox.Show(ex.Message, "错误", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);return;}
// 连接成功后，启动数据接收任务（持续接收服务器转发的设备应答）await ReceiveMessage();
}

1.3 注意事项

异步连接：使用 ConnectAsync 而非同步 Connect，避免 UI 卡死
异常捕获：需处理 FormatException（IP / 端口格式错误）、SocketException（连接失败）等
资源释放：断开时必须调用 Close()，否则会导致 Socket 资源泄漏

2. Modbus 数据读取模块（功能码 03）

2.1 功能说明

实时读取：勾选 “实时读取” 后，每 3 秒自动发送 Modbus 读指令（功能码 03）
报文构造：生成包含 “从站地址、功能码、寄存器地址、寄存器数量、CRC 校验” 的完整 Modbus 报文
数据解析：接收设备应答报文后，解析寄存器值并显示到 UI

2.2 关键代码解析

2.2.1 实时读取触发（复选框事件）

csharp

private void cbRealTimeRead_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{if (cbRealTimeRead.Checked){// 校验连接状态：未连接则提示if (client == null || !client.Connected){MessageBox.Show("先建立连接，再读取！", "错误", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);cbRealTimeRead.Checked = false; // 取消勾选return;}
// 启动数据发送任务（每3秒发一次读指令）_ = SendMessage(); // 用_忽略Task返回值，避免编译器警告}else{// 取消实时读取：终止发送任务cts1?.Cancel(); // cts1是发送任务的取消令牌}
}

2.2.2 构造 Modbus 读报文并发送

csharp

private Task SendMessage()
{// 初始化取消令牌（用于终止实时发送任务）cts1 = new CancellationTokenSource();return Task.Run(async () =>{while (!cts1.IsCancellationRequested) // 任务未取消则循环{// 1. 构造Modbus读指令核心报文（功能码03）// 格式：[从站地址(1字节)][功能码(1字节)][起始寄存器地址高8位(1字节)][起始寄存器地址低8位(1字节)][读取寄存器数量高8位(1字节)][读取寄存器数量低8位(1字节)]byte[] modbusCore = new byte[6] { 0x01,          // 从站地址：1（默认设备地址）0x03,          // 功能码：03（读保持寄存器）0x00, 0x00,    // 起始寄存器地址：0x0000（从第0个寄存器开始读）0x00, 0x02     // 读取寄存器数量：0x0002（读2个寄存器）};
// 2. 计算CRC16校验（Modbus-RTU必须加CRC，确保报文无差错）byte[] crc = CRC16(modbusCore);
// 3. 组装完整报文（核心报文 + CRC校验）byte[] fullPacket = new byte[8]; // 6字节核心 + 2字节CRC = 8字节Array.Copy(modbusCore, 0, fullPacket, 0, modbusCore.Length); // 复制核心报文Array.Copy(crc, 0, fullPacket, modbusCore.Length, crc.Length); // 复制CRC
// 4. 发送报文到服务器（由服务器转发给串口设备）client.Send(fullPacket);
// 5. 延迟3秒（避免频繁发送，减轻设备压力）await Task.Delay(3000, cts1.Token); // 传入取消令牌，支持延迟中取消}}, cts1.Token);
}

2.2.3 接收并解析设备应答报文

csharp

private Task ReceiveMessage()
{// 初始化取消令牌（用于终止接收任务）cts2 = new CancellationTokenSource();return Task.Run(async () =>{while (!cts2.IsCancellationRequested) // 任务未取消则循环{// 1. 创建缓冲区（长度=当前可用数据长度，避免内存浪费）byte[] buffer = new byte[client.Available];// 2. 接收服务器转发的设备应答数据int receiveLen = client.Receive(buffer); // 返回实际接收的字节数// 3. 校验应答报文长度（Modbus读2个寄存器的应答应为9字节：1+1+1+2*2+2）// 格式：[从站地址][功能码][字节数][寄存器1高8位][寄存器1低8位][寄存器2高8位][寄存器2低8位][CRC高8位][CRC低8位]if (receiveLen == 9){// 跨线程更新UI（WinForms控件不允许非UI线程直接修改）Invoke(new Action(() =>{// 解析寄存器1值：高8位*256 + 低8位（16位无符号整数）int reg1Value = buffer[3] * 256 + buffer[4];txtReadData1.Text = reg1Value.ToString(); // 显示到UI// 解析寄存器2值：同理int reg2Value = buffer[5] * 256 + buffer[6];txtReadData2.Text = reg2Value.ToString(); // 显示到UI}));}// 4. 延迟1秒（降低CPU占用）await Task.Delay(1000, cts2.Token);}}, cts2.Token);
}

3. Modbus 数据写入模块（功能码 06）

3.1 功能说明

单寄存器写入：根据输入的数值，构造 Modbus 写指令（功能码 06），写入指定寄存器
输入校验：确保输入为合法整数，避免无效指令发送
报文构造：包含 “从站地址、功能码、目标寄存器地址、写入值、CRC 校验”

3.2 关键代码解析（以写入寄存器 1 为例）

csharp

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{// 1. 输入校验：确保输入是合法整数bool isInt = int.TryParse(txtSetData1.Text, out int writeValue);if (!isInt){MessageBox.Show("输入正确格式的数据！", "错误", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);return;}// 2. 拆分写入值为高低8位（Modbus寄存器是16位，需分高低字节传输）byte highByte = (byte)(writeValue / 256); // 高8位：数值除以256取整byte lowByte = (byte)(writeValue % 256);  // 低8位：数值除以256取余// 3. 构造Modbus写指令核心报文（功能码06）// 格式：[从站地址(1字节)][功能码(1字节)][目标寄存器地址高8位(1字节)][目标寄存器地址低8位(1字节)][写入值高8位(1字节)][写入值低8位(1字节)]byte[] modbusCore = new byte[6] { 0x01,          // 从站地址：10x06,          // 功能码：06（写单个保持寄存器）0x00, 0x00,    // 目标寄存器地址：0x0000（写入第0个寄存器）highByte, lowByte // 写入值的高低8位};// 4. 计算CRC16校验byte[] crc = CRC16(modbusCore);// 5. 组装完整报文（核心报文 + CRC）byte[] fullPacket = new byte[8];Array.Copy(modbusCore, 0, fullPacket, 0, modbusCore.Length);Array.Copy(crc, 0, fullPacket, modbusCore.Length, crc.Length);// 6. 发送报文（前提：已建立连接）if (client != null && client.Connected)client.Send(fullPacket);
}

3.3 写入寄存器 2 的差异

仅 目标寄存器地址 不同：将 0x00, 0x00 改为 0x00, 0x01，对应写入第 1 个寄存器，其余逻辑完全一致（代码见 button2_Click 方法）。

4. CRC16 校验模块

4.1 功能说明

Modbus-RTU 协议要求所有报文末尾必须添加 2 字节 CRC16 校验，用于检测报文在传输过程中是否出现差错（如丢包、错码）。该模块实现标准的 CRC16 算法（多项式 0xA001，初始值 0xFFFF）。

4.2 关键代码解析

csharp

private static byte[] CRC16(byte[] data)
{int dataLen = data.Length;if (dataLen == 0) // 空数据返回空校验return new byte[] { 0, 0 };ushort crc = 0xFFFF; // 初始值：0xFFFF// 1. 遍历数据字节，计算CRCfor (int i = 0; i < dataLen; i++){crc = (ushort)(crc ^ data[i]); // 当前CRC与数据字节异或// 2. 每字节循环8位（处理每一位）for (int j = 0; j < 8; j++){// 若最低位为1：右移1位后与多项式0xA001异或；否则仅右移1位crc = (crc & 1) != 0 ? (ushort)((crc >> 1) ^ 0xA001) : (ushort)(crc >> 1);}}// 3. CRC结果高低位交换（Modbus-RTU要求小端序：低字节在前，高字节在后）byte crcLow = (byte)(crc & 0x00FF);  // 低8位byte crcHigh = (byte)((crc & 0xFF00) >> 8); // 高8位return new byte[] { crcLow, crcHigh }; // 返回小端序CRC
}

四、UI 控件说明

控件类型	控件名称	用途
TextBox	txtIP	输入服务器 IP 地址（如 192.168.1.100）
TextBox	txtPort	输入服务器 TCP 端口（如 9999）
Button	btnConnOrClose	建立 / 断开 TCP 连接
CheckBox	cbRealTimeRead	勾选启用实时读取设备数据
TextBox	txtReadData1	显示读取的寄存器 1 数值
TextBox	txtReadData2	显示读取的寄存器 2 数值
TextBox	txtSetData1	输入要写入寄存器 1 的数值
TextBox	txtSetData2	输入要写入寄存器 2 的数值
Button	button1	触发写入寄存器 1
Button	button2	触发写入寄存器 2

五、常见问题与解决方案

连接失败，提示 “无法连接到远程服务器”
- 原因：服务器未启动、IP / 端口输入错误、网络不通（防火墙拦截）
- 解决方案：确认服务器已启动，检查 IP 和端口是否与服务器一致，关闭防火墙或开放对应端口
实时读取无数据，UI 无显示
- 原因：Modbus 报文格式错误（从站地址、寄存器地址错误）、CRC 校验错误、服务器未转发数据
- 解决方案：
  - 检查从站地址是否与设备匹配（默认 0x01，若设备地址不同需修改）
  - 用串口工具（如 SSCOM）抓取报文，验证 CRC 是否正确
  - 确认服务器已正常连接串口设备
写入数据后，设备无响应
- 原因：写入值超出寄存器范围（如 16 位寄存器最大 65535）、目标寄存器地址错误
- 解决方案：确认写入值在设备寄存器允许范围内，检查目标寄存器地址是否与设备手册一致
UI 卡顿
- 原因：未使用异步编程，同步发送 / 接收阻塞 UI 线程
- 解决方案：确保所有网络操作（Connect、Send、Receive）使用异步方法（ConnectAsync、SendAsync），并用Task.Run将循环逻辑放入后台线程
取消实时读取后，任务仍在运行
- 原因：未正确调用CancellationTokenSource.Cancel()，或取消后未释放令牌
- 解决方案：确保cbRealTimeRead取消勾选时，调用cts1?.Cancel()，且任务循环中检查cts1.IsCancellationRequested