基于STM32脉冲电源通信的Modbus RTU协议深度解析与实战案例

基于 STM32 与脉冲电源的 Modbus RTU 通信项目详解

本文内容是工作中实际遇到的一个项目

一、引言

在工业控制和自动化领域，设备之间的可靠通信至关重要。Modbus RTU 协议作为一种广泛应用的串行通信协议，因其简单、高效且开放的特性，成为连接各种工业设备的理想选择。本文将围绕使用 STM32 单片机与脉冲电源通过 Modbus RTU 协议进行通信的项目展开，详细介绍 Modbus RTU 协议的原理、通信设置、消息帧格式、功能代码以及寄存器地址表等内容，并结合实际项目进行说明。

二、Modbus RTU 协议概述

2.1 基本概念

Modbus 是一种主 – 从式协议，在本项目中，上位机作为主站发起通信请求，整流机（脉冲电源）作为从站进行应答。采用 RTU（十六进制数）传输模式，数据以二进制代码形式传输，通过 CRC16 循环冗余校验确保数据传输的准确性。

2.2 通信口设置

2.2.1 通讯方式

采用异步串行通讯接口 RS – 485，这种接口具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，适合工业现场环境。

2.2.2 波特率

默认值为 19200bps，且可在 4800 – 115200 的范围内进行设置。波特率决定了数据传输的速率，需要根据实际通信距离和设备性能进行选择。

2.2.3 字节数据格式

字节数据格式如下：

1	*	*	*	*	*	*	*	*	1	*
起始位               数据位（从低到高）                    校验位   停止位

三、消息帧格式

3.1 读寄存器帧

主站向从站发送读寄存器请求时，消息帧格式如下：

例如，要读取从站地址为 01H 的设备中，从地址 0000H 开始的 5 个寄存器的值，读寄存器帧如下：

01H    03H    0000H    0005H    CrcL, CrcH

3.2 读寄存器返回帧

从站接收到读寄存器请求并处理后，向主站返回的消息帧格式如下：

假设成功读取 5 个寄存器的值，读寄存器返回帧如下：

01H    03H    0AH    [寄存器数据]    CrcL, CrcH

其中，字节数为 0AH（即 10 字节，因为每个寄存器占 2 字节，5 个寄存器共 10 字节）。

3.3 写寄存器帧

主站向从站发送写寄存器请求时，消息帧格式如下：

例如，要向从站地址为 01H 的设备中，从地址 0005H 开始的 5 个寄存器写入数据，写寄存器帧如下：

01H    10H    0005H    0005H    0AH    [寄存器数据]    CrcL, CrcH

3.4 写寄存器返回帧

从站接收到写寄存器请求并处理成功后，向主站返回的消息帧格式如下：

写寄存器返回帧示例：

01H    10H    0005H    0005H    CrcL, CrcH

四、功能代码

4.1 功能代码列表

4.2 功能代码说明

五、寄存器地址表

5.1 寄存器地址表内容

5.2 寄存器地址表说明

六、CRC16 校验

6.1 校验原理

CRC16 是一种循环冗余校验方法，用于检测数据在传输过程中是否发生错误。在本项目中，CRC16 校验从从站地址到数据区最后一个字节，计算多项式码为 A001(hex)。

6.2 校验计算示例

在 STM32 中实现 CRC16 校验计算可以通过以下代码示例：

#include <stdint.h>

// CRC16 计算函数
uint16_t crc16(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    uint16_t i, j;

    for (i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= (uint16_t)data[i];
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

使用示例：

uint8_t message[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x05};
uint16_t crc = crc16(message, sizeof(message));
uint8_t crcL = (uint8_t)(crc & 0xFF);
uint8_t crcH = (uint8_t)(crc >> 8);

七、STM32 + KEIL5 + 固件库举例说明 ModbusRTU 协议

以下是使用STM32标准固件库实现Modbus RTU协议通信的详细步骤和代码示例。

1. 硬件连接

与使用HAL库时的硬件连接方式相同，将STM32的串口（如USART1）与RS – 485转换器连接，RS – 485转换器的A、B线连接到Modbus RTU从站设备的对应接口，同时确保所有设备共地。

2. 工程准备

在Keil等开发环境中创建一个基于STM32标准固件库的工程，将标准固件库文件添加到工程中。

3. 代码实现

3.1 串口初始化

使用标准固件库函数对串口进行初始化，设置通信参数。

#include "stm32f10x.h"

// 串口初始化函数
void USART1_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能GPIOA和USART1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 配置USART1 Tx (PA9)为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置USART1 Rx (PA10)为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // USART1配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 19200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

3.2 CRC16校验函数

实现CRC16校验函数，用于计算和验证消息帧的CRC校验值。

#include <stdint.h>

// CRC16计算函数
uint16_t crc16(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    uint16_t i, j;

    for (i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= (uint16_t)data[i];
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

3.3 发送读寄存器请求

编写函数来发送读寄存器请求消息帧，并计算CRC校验值。

// 发送读寄存器请求
void sendReadRequest(uint8_t slaveAddress, uint16_t startAddress, uint16_t registerCount) {
    uint8_t request[8];
    request[0] = slaveAddress;
    request[1] = 0x03;
    request[2] = (uint8_t)(startAddress >> 8);
    request[3] = (uint8_t)(startAddress & 0xFF);
    request[4] = (uint8_t)(registerCount >> 8);
    request[5] = (uint8_t)(registerCount & 0xFF);

    uint16_t crc = crc16(request, 6);
    request[6] = (uint8_t)(crc & 0xFF);
    request[7] = (uint8_t)(crc >> 8);

    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
        USART_SendData(USART1, request[i]);
    }
}

3.4 接收并处理响应

在串口接收中断服务函数中接收从站的响应消息帧，并验证CRC校验值。

#define BUFFER_SIZE 256
uint8_t receiveBuffer[BUFFER_SIZE];
uint8_t receiveIndex = 0;

// 串口1中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        receiveBuffer[receiveIndex++] = USART_ReceiveData(USART1);

        // 这里可以根据实际情况添加接收完成判断条件
        // 例如，根据消息帧长度判断

        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}

// 处理接收到的响应
void processResponse() {
    // 验证CRC校验
    uint16_t receivedCrc = (uint16_t)(receiveBuffer[receiveIndex - 2]) | ((uint16_t)(receiveBuffer[receiveIndex - 1]) << 8);
    uint16_t calculatedCrc = crc16(receiveBuffer, receiveIndex - 2);

    if (receivedCrc == calculatedCrc) {
        // 处理响应数据
        // 这里可以根据响应消息帧的格式解析数据
        // 例如，获取寄存器数据等
    } else {
        // CRC校验失败
    }
    receiveIndex = 0; // 清空接收缓冲区
}

4. 主函数调用示例

int main(void) {
    USART1_Init();

    // 发送读寄存器请求
    sendReadRequest(0x01, 0x0000, 0x0005);

    while (1) {
        // 可以在合适的时机调用processResponse函数处理接收到的响应
        if (receiveIndex > 0) {
            processResponse();
        }
    }
}

5. 关键部分解释

通过以上步骤，可以使用STM32标准固件库实现基于Modbus RTU协议的通信。需要注意的是，实际应用中可能需要根据具体情况对代码进行调整和优化，例如添加超时处理、错误处理等功能。

八、总结

通过本项目，深入了解 Modbus RTU 协议的原理、通信设置、消息帧格式、功能代码和寄存器地址表等内容，并使用 STM32 单片机实现与脉冲电源的通信。Modbus RTU 协议以其简单、可靠的特点，为工业设备之间的通信提供了有效的解决方案。在实际应用中，需要根据具体需求进行通信参数的设置和错误处理，以确保通信的稳定性和准确性。同时，通过合理的硬件设计和软件编程，可以实现更复杂的工业控制和自动化应用。

作者：#金毛