STM32实现基于RS485的简单的Modbus协议

背景

我这里用STM32实现，其实可以搬移到其他MCU，之前有项目使用STM32实现Modbus协议

这个场景比较正常，很多时候都能碰到

这里主要是Modbus和变频器通信

最常见的是使用Modbus实现传感器数据的采集，我记得之前用过一些传感器都是Modbus协议

这就需要MCU实现Modbus协议，不过实际使用的Modbus协议往往都是简化版本的

可能只是几条Modbus协议格式的指令而已

初学者，网上一搜Modubus协议，往往越看越糊涂

原理图

如下图所示，使用STM32 UART2，采用485接口设计引出

解释一下为什么这里的485电路设计的这么复杂

这里考虑485带电插拔操作，以及客户要求隔离功能等，所以硬件上设计比常用电路复杂很多

其实主要功能都是一致的

软件设计 

初始化串口，这里写的比较复杂，因为考虑了串口2也就是485接口的波特率是可以配置的，并且配置后掉电保存，所以有个波特率的接口，当然同时也有校验位可配置

如下配置，串口采用中断模式，使用串口2，对应管脚PA2/PA3

void Bsp_usart2_cfg(u8 baud, u8 checkbit)
{	
	NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;  
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure; 
	u32 BaudRate;
	
	switch(baud)
	{	
		case 0:
		{
			BaudRate = 300;
			break;
		}
		case 1:
		{
			BaudRate = 600;
			break;
		}
		case 2:
		{
			BaudRate = 1200;
			break;
		}
		case 3:
		{
			BaudRate = 2400;
			break;
		}
		case 4:
		{
			BaudRate = 4800;
			break;
		}
		case 5:
		{
			BaudRate = 9600;
			break;
		}
		case 6:
		{
			BaudRate = 19200;
			break;
		}
		case 7:
		{
			BaudRate = 38400;
			break;
		}
		case 8:
		{
			BaudRate = 57600;
			break;
		}
		case 9:
		{
			BaudRate = 115200;
			break;
		}
		default:
		{
			BaudRate = 9600;
			break;
		}
	}
		
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);
	
	/*
	*  USART2_TX -> PA2 , USART2_RX ->	PA3
	*/				
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;	         
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);		   

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;	        
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

	USART_InitStructure.USART_BaudRate = BaudRate;
	///USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_9b;//9位数据
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	//if(checkbit == 0)
	//USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_2;//1位停止位
	//else
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//1位停止位
		
	if((checkbit == 0) || (checkbit == 3))
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//
	else if(checkbit == 1)
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_Even;//偶校验
	else if(checkbit == 2)
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_Odd;//奇校验
	else
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//		
	
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制失能
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //发送和接受使能
	USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); 

  
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;	  
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = USART2_IRQCHANNELPP;// 设置抢占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = USART2_IRQCHANNELSP;	
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

//	USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);    // 使能USART接收中断,这里先不开启接收中断
	
	USART_Cmd(USART2, ENABLE); 
	USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_TC);//清除中断TC位
	
	while(USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TXE) == RESET);//等待传输完成，否则第一位数据容易丢失
	

	
}

串口2的中断处理函数如下

这里很简单，就是把串口2的数据收集起来放到队列comrx2xQueue中

void USART2_IRQHandler(void)
{
	portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
	uint8_t cChar;
	uint16_t msg;
	
	if (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_ORE) != RESET)   // ORE中断
	{
		USART_ReceiveData(USART2);
	}
	if (USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)   // 接收数据中断			
	{
		cChar = USART_ReceiveData( USART2 );
		msg = MSG_USART_EVT | (cChar);
		xQueueSendFromISR( comrx2xQueue, &msg, &xHigherPriorityTaskWoken );
	}
	portEND_SWITCHING_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
}

在串口2的接收任务中进行

协议帧格式匹对

如下代码，使用状态机跳转到接收处理位置


void tskcomrx2( void *pvParameters )
{
	uint16_t Msg;
	QueueHandle_t pq = pvParameters;
	uint8_t stt = FSM_IDLE,*prx;
	uint16_t tmp16,len;	
	
	
	while(1) 
	{
		if( xQueueReceive( pq, &Msg, 20 ) == pdPASS )
		{
			if(MSG_NAME(Msg) == MSG_USART_EVT)
			{
				tmp16 = MSG_DATA(Msg);
				//调试语句，打印接受数据到调试串口1
//				while((USART1->SR&0x40)==0);//等待上一次发送完毕   
//				USART1->DR = tmp16; 
//				
				switch (stt) 
				{
					case FSM_IDLE :
					{
						prx = StdDatBufIn2;
						*prx = 0;
						len = 0;
						if (tmp16 == FlashParagma.addr)			
						{
							/*数据开始*/
							len++;
							*prx++ = tmp16;
							*prx = 0;
							stt = FSM_HEAD;
						}
						break;
					}
					case FSM_HEAD :
					{
						len++;
						*prx++ = tmp16;
						*prx = 0;
						if ((tmp16 == 0x03) ||  (tmp16 == 0x06))
						{
							stt = FSM_ASCII_DATA;
						}
						else
						{
							stt = FSM_IDLE;//异常处理
						}
						break;
					}
					case FSM_ASCII_DATA :
					{						
						len++;
						*prx++ = tmp16;
						*prx = 0;							
						if(len > 7)
						{
							//处理接收数据
							modbusEventPro(StdDatBufIn2, len);
							stt = FSM_IDLE;//异常处理
						}
						break;
					}
					default:
					{
						stt = FSM_IDLE;
						break;
					}
				}					
			}/**end of if(MSG_NAME(pMsg)*/	
		}			
	}/*end of while(1)*/
}/*end of void tskDatRxCOM1(void * pdata) */

根据modbus协议指令分类进行数据处理，代码如下

功能码03、06进行处理


// Modbus事件处理函数
void modbusEventPro(u8 *src, u16 len)
{
	u16 crc,rccrc;
	
	//收到数据包长度判定

	//通过读到的数据帧计算CRC
	crc = Modbus_CRC16(&src[0], len - 2); 
	// 读取数据帧CRC
	rccrc = src[len - 2] + src[len - 1] * 256;
	if(crc == rccrc) //CRC校验成功，开始分包
	{        
		if(src[0] == FlashParagma.addr)  //检测是否是自己的地址
		{
			switch(src[1])   //分析modbus功能码
			{
				case 3:      
				{
					Modbus_Func3(src, len);
					break;
				}
				case 6:
				{
					Modbus_Func6(src, len);
					break;
				}
				default:
					break;				
			}
		}
		else if(src[0] == 0) //广播地址不予回应
		{

		}         
	}
}

发送modbus协议指令，这里需要先把发送模式打开，发送数据完成后，注意要延时一段时间再切换为接收模式，这个延时时间需要自己根据调试情况进行实际调整

控制不同类型的从机，延时时间要求可能不太一样

void Modbus_USRAT2_SendStr(u8 *scr, u16 len)
{
  u16 i;
	// 开始返回Modbus数据
	Modbus_USART2_TX_Mode;
	vTaskDelay(5);
	for(i = 0; i < len; i++)
	{
		while((USART2->SR&0x40)==0);//等待上一次发送完毕   
		USART2->DR = scr[i];        
	}
	vTaskDelay(5);
	Modbus_USART2_RX_Mode;
}

总结

这实现的比较简单，且常用的Modbus协议

协议格式如下，采用高字节在前方式

地址

功能码

从机地址

数据

校验

485从机地址

03H(读)、06H(写)

CRC

1byte

1byte

2byte

4byte

2byte

上述Modbus协议，实现03、06指令，即可完成对从机地址的读写。

上述代码实现，也是根据表格中的格式进行实现的，可以和代码对的上。

其他

网上搜集了一下关于RS485和Modbus协议的解释，这里拿出来比较关键的，供参考

关于RS485（主要是关注传输距离、接口线、电平）

RS-485是美国电子工业协会（EIA）在1983年批准了一个新的平衡传输标准（balanced transmission standard），EIA一开始将RS（Recommended Standard）做为标准的前缀，不过后来为了便于识别标准的来源，已将RS改为EIA/TIA。目前标准名称为TIA-485，但工程师及应用指南仍继续使用RS-485来称呼此标准。

RS-485仅是一个电气标准，描述了接口的物理层，像协议、时序、串行或并行数据以及链路全部由设计者或更高层协议定义。RS-485定义的是使用平衡（也称作差分）多点传输线的驱动器（driver）和接收器（receiver）的电气特性。

  • 差分传输增加噪声抗扰度，减少噪声辐射
  • 长距离链路，最长可达4000英尺（约1219米）
  • 数据速率高达10Mbps（40英寸内，约12.2米）
  • 同一总线可以连接多个驱动器和接收器
  • 宽共模范围允许驱动器和接收器之间存在地电位差异，允许最大共模电压-7-12V

关于Modbus协议

MODBUS 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。

对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。

1通讯传送方式：

通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与ModBusRTU通讯规约相兼容：

初始结构 = ≥4字节的时间

地址码 = 1 字节

功能码 = 1 字节

数据区 = N 字节

错误校检 = 16位CRC码

结束结构 = ≥4字节的时间

地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。

功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为１(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。

数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。

CRC码：二字节的错误检测码。

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