STM32实战总结：HAL之modbus

news2025/8/13 5:43:55

什么是modbus？

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

要注意的是：：：：：：MODBUS协议是一种软件协议，是一种人为约定的协议，他和SPI，IIC，CAN总线协议还是有些不同的，SPI，IIC，CAN总线这些协议必须是设备在硬件上支持的，可以说SPI，IIC，CAN总线是一种软硬件的结合体，也就是常分为两层即物理层和协议层，MODBUS本身就是类似于协议层的东西。Modbus通信标准协议可以通过各种传输方式传播，如 RS232C、RS485、光纤、无线电等。

Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：

  1. 公开发表并且无版权要求

  2. 易于部署和维护

  3. 对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信，举个例子，一个测量温度和湿度的装置，并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统（SCADA）中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统（RTU）。

Modbus协议大致分为以下两种串行传输模式：

  • Modbus-RTU

  • Modbus-ASCII

一个设备只会使用一种协议，一般来说大部分的设备都是Modbus-RTU协议。

设备必须要有RTU协议！这是Modbus协议上规定的，且默认模式必须是RTU，ASCII作为可选项。一般学习Modbus协议，只需要了解RTU协议，ASCll了解即可。

Modbus通讯过程

Modbus是一种单主站的主/从通信模式。，主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。 

举例: 一个总线上有一个主机，多个从机，主机查询其中一个从机，首先得给这些从机分配地址(每个地址必须唯一)，分配好地址后，主机先查询，然后发数据，从机得到主机发送的数据，然后对应地址的从机回复，主机得到从机数据。

注意：

Modbus不能判断从机是否忙，也没有对应的仲裁机制，我们只能通过软件对数据进行适当的处理！

帧结构

帧结构 = 地址 + 功能码+ 数据 + 校验

●地址: 占用一个字节，范围0-255，其中有效范围是1-247，其他有特殊用途。Modbus网络上只能有一个主站存在，主站在 Modbus网络上没有地址，从站的地址范围为 0 - 247，其中 0 为广播地址，从站的实际地址范围为 1 - 247。

●功能码：占用一个字节，功能码的意义就是，知道这个指令是干啥的，比如你可以查询从机的数据，也可以修改数据，所以不同功能码对应不同功能。

部分功能码：

其中，功能码03和06是比较常用的。

●数据：占用一个或多个字节，根据功能码不同，有不同结构。

●校验：为了保证数据不错误，增加这个，然后再把前面的数据进行计算看数据是否一致，如果一致，就说明这帧数据是正确的，我再回复；如果不一样，说明你这个数据在传输的时候出了问题，数据不对的，所以就抛弃了。

举例说明

我们大部分时候都是用modbus来和传感器通信。如果要查询传感器上的信息，用03查询功能码，如果需要修改传感器寄存器的值就用06修改功能码，其他的不需要过多关注，用到的时候再去了解。

查询功能码

比如我们现在要使用STM32查询某传感器的数据，该传感器的地址为01。

主机发送: 01 03 00 00 00 01 84 0A
从机回复: 01 03 02 19 98 B2 7E

什么意思？解析如下：

发送数据解析

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据
00 00-代表查询的起始寄存器地址.说明从0x0000开始查询。这里需要说明以下，Modbus把数据存放在寄存器中，通过查询寄存器来得到不同变量的值，一个寄存器地址对应2字节数据
00 01-代表查询了一个寄存器.结合前面的00 00,意思就是查询从0开始的1个寄存器值
84 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到84前面为止。

回复数据解析

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据。这里要注意的是注意发给从机的功能码是啥，从机就要回复同样的功能码，如果不一样说明这一帧数据有错误
02-代表后面数据的字节数,因为上面说到,一个寄存器有2个字节,所以后面的字节数肯定是2*查询的寄存器个数;
19 98-寄存器的值是19 98,结合发送的数据看出,01这个寄存器的值为19 98
B2 7E-循环冗余校验

总结就是：

发送：从机的地址+我要干嘛的功能码+我要查的寄存器的地址+我要查的寄存器地址的个数+校验码

回复：从机的地址+主机发我的功能码+要发送给主机数据的字节数+数据+校验码

修改功能码

主机发送: 01 06 00 00 00 01 48 0A
从机回复: 01 06 00 00 00 01 48 0A

看上去怎么一样的啊?是不是错了?答案是这是正确的。

发送数据解析

01-主机要查询的从机地址
06-功能码,06代表修改单个寄存器功能,修改有些不同,有修改一个寄存器和修改多个寄存器;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止

回复数据解析

01-从机返回给主机自己的地址,说明这就是主机查的从机
06-功能码,代表修改单个寄存器功能，主机发啥功能码，从机就必须回什么功能码;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止;

如果回复的一样，说明这个数据是修改成功的；如果功能码不是06，而是别的，说明从机回复的数据有误，主机可以做相应的处理。

如果我要修改多个寄存器，难道用06发好几次，这样不会太傻了吗？所以Modbus RTU协议包含了修改连续多个寄存器的方法，就是功能码为0x10；这个大家自己去查询，基本和上面的数据格式差不多。

注意，ModBus只是一个软件协议，传输时可以通过串口来进行通信。 

为了提升传输效率，可以结合DMA使用。

MX配置

配置串口

配置DMA

发送和接收都采用DMA

开启空闲中断

关键代码

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "MyApplication.h"

/* Private define-------------------------------------------------------------*/
#define FunctionCode_Read_Register 		(uint8_t)0x03
#define FunctionCode_Write_Register 	(uint8_t)0x06
#define Modbus_Order_LENGTH           (uint8_t)8

/* Private variables----------------------------------------------------------*/

/* Private function prototypes------------------------------------------------*/      
static void Protocol_Analysis(UART_t*);  //协议分析

static void Modbus_Read_Register(UART_t*);   //读寄存器
static void Modbus_Wrtie_Register(UART_t*);  //写寄存器

/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
Modbus_t  Modbus = 
{
	1,
	
	Protocol_Analysis
};

/*
	* @name   Protocol_Analysis
	* @brief  协议分析
	* @param  UART -> 串口指针
	* @retval None      
*/
static void Protocol_Analysis(UART_t* UART) 
{
	UART_t* const  COM = UART;
	uint8_t i = 0,Index = 0;
	
  //串口3停止DMA接收
	HAL_UART_DMAStop(&huart3);
	
	//过滤干扰数据，首字节为modbus地址，共8字节
	for(i=0;i<UART3_Rec_LENGTH;i++)
	{
		//检测键值起始数据Modbus.Addr
		if(Index == 0)
		{
			if(*(COM->pucRec_Buffer+i) != Modbus.Addr)
				continue;
		}
		
		*(COM->pucRec_Buffer+Index) = *(COM->pucRec_Buffer+i);

		//已读取7个字节
		if(Index == Modbus_Order_LENGTH)
			break;
		
		Index++;
	}
	
	//计算CRC-16
	CRC_16.CRC_Value   =  CRC_16.CRC_Check(COM->pucRec_Buffer,6); //计算CRC值
	CRC_16.CRC_H       = (uint8_t)(CRC_16.CRC_Value >> 8);
	CRC_16.CRC_L       = (uint8_t)CRC_16.CRC_Value;
	
	//校验CRC-16
	if(((*(COM->pucRec_Buffer+6) == CRC_16.CRC_L) && (*(COM->pucRec_Buffer+7) == CRC_16.CRC_H))
																								||
	   ((*(COM->pucRec_Buffer+6) == CRC_16.CRC_H) && (*(COM->pucRec_Buffer+7) == CRC_16.CRC_L)))
  {
		//校验地址
		if((*(COM->pucRec_Buffer+0)) == Modbus.Addr)
		{
			//处理数据
			if((*(COM->pucRec_Buffer+1)) == FunctionCode_Read_Register)
			{
				Modbus_Read_Register(COM);
			}
			else if((*(COM->pucRec_Buffer+1)) == FunctionCode_Write_Register)
			{
				Modbus_Wrtie_Register(COM);
			}	
		}
	}
	
	//清缓存
	for(i=0;i<UART3_Rec_LENGTH;i++)
	{
		*(COM->pucRec_Buffer+i) = 0x00;
	}
}

/*
	* @name   Modbus_Read_Register
	* @brief  读寄存器
	* @param  UART -> 串口指针
	* @retval None      
*/
static void Modbus_Read_Register(UART_t* UART)
{
	UART_t* const  COM = UART;
	
	//校验地址
	if((*(COM->pucRec_Buffer+2) == 0x9C) && (*(COM->pucRec_Buffer+3) == 0x41))
	{
		回应数据
		//地址码
		*(COM->pucSend_Buffer+0)  = Modbus.Addr;
		//功能码
		*(COM->pucSend_Buffer+1)  = FunctionCode_Read_Register;
		//数据长度
		*(COM->pucSend_Buffer+2)  = 8;
		//SHT30温度
		*(COM->pucSend_Buffer+3)  = ((uint16_t)((SHT30.fTemperature+40)*10))/256;
		*(COM->pucSend_Buffer+4)  = ((uint16_t)((SHT30.fTemperature+40)*10))%256;
		//SHT30湿度
		*(COM->pucSend_Buffer+5)  = 0;
		*(COM->pucSend_Buffer+6)  = SHT30.ucHumidity;
		//继电器状态
		*(COM->pucSend_Buffer+7)  = 0;
		*(COM->pucSend_Buffer+8)  = Relay.Status;
		//蜂鸣器状态
		*(COM->pucSend_Buffer+9)  = 0;
		*(COM->pucSend_Buffer+10) = Buzzer.Status;
		
		//插入CRC
		CRC_16.CRC_Value = CRC_16.CRC_Check(COM->pucSend_Buffer,11); //计算CRC值
		CRC_16.CRC_H     = (uint8_t)(CRC_16.CRC_Value >> 8);
		CRC_16.CRC_L     = (uint8_t)CRC_16.CRC_Value;
		
		*(COM->pucSend_Buffer+11) = CRC_16.CRC_L;
		*(COM->pucSend_Buffer+12) = CRC_16.CRC_H;
		
		//发送数据
		UART3.SendArray(COM->pucSend_Buffer,13);
	}
}

/*
	* @name   Modbus_Read_Register
	* @brief  写寄存器
	* @param  UART -> 串口指针
	* @retval None      
*/
static void Modbus_Wrtie_Register(UART_t* UART)
{
	UART_t* const  COM = UART;
	uint8_t i;
	
	回应数据
	//准备数据
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		*(COM->pucSend_Buffer+i) = *(COM->pucRec_Buffer+i);
	}
	//发送数据
	UART3.SendArray(COM->pucSend_Buffer,8);
	
	//提取数据
	//校验地址 -> 继电器
	if((*(COM->pucRec_Buffer+2) == 0x9C) && (*(COM->pucRec_Buffer+3) == 0x43))
	{
		//控制继电器
		if(*(COM->pucRec_Buffer+5) == 0x01)
		{
			Relay.Relay_ON();
		}
		else
		{
			Relay.Relay_OFF();
		}
	}
	
	//校验地址 -> 蜂鸣器
	if((*(COM->pucRec_Buffer+2) == 0x9C) && (*(COM->pucRec_Buffer+3) == 0x44))
	{
		//控制蜂鸣器
		if(*(COM->pucRec_Buffer+5) == 0x01)
		{
			Buzzer.ON();
		}
		else
		{
			Buzzer.OFF();
		}
	}
}
/********************************************************
  End Of File
********************************************************/

CRC校验代码

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "MyApplication.h"

/* Private define-------------------------------------------------------------*/

/* Private variables----------------------------------------------------------*/

/* Private function prototypes------------------------------------------------*/      
static uint16_t CRC_Check(uint8_t*,uint8_t);  //CRC校验

/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
CRC_16_t  CRC_16 = {0,0,0,CRC_Check};

/*******************************************************
说明：CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字

CRC计算方法：
 1.预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF(即全为1);称此寄存器为CRC寄存器;
 2.把第一个8位二进制数据(既通讯信息帧的第一个字节)与16位的CRC寄存器的低
 8位相异或，把结果放于CRC寄存器;
 3.把CRC寄存器的内容右移一位(朝低位)用0填补最高位，并检查右移后的移出位;
 4.如果移出位为0:重复第3步(再次右移一位);
 如果移出位为1:CRC寄存器与多项式A001(1010 0000 0000 0001)进行异或;
 5.重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理;
 6.重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理;
 7.将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的16位CRC寄存器的高、低
 字节进行交换;
********************************************************/

/*
	* @name   CRC_Check
	* @brief  CRC校验
	* @param  CRC_Ptr->数组指针，LEN->长度
	* @retval CRC校验值      
*/
uint16_t CRC_Check(uint8_t *CRC_Ptr,uint8_t LEN)
{
	uint16_t CRC_Value = 0;
	uint8_t  i         = 0;
	uint8_t  j         = 0;

	CRC_Value = 0xffff;
	for(i=0;i<LEN;i++)
	{
		CRC_Value ^= *(CRC_Ptr+i);
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			if(CRC_Value & 0x00001)
				CRC_Value = (CRC_Value >> 1) ^ 0xA001;
			else
				CRC_Value = (CRC_Value >> 1);
		}
	}
	CRC_Value = ((CRC_Value >> 8) +  (CRC_Value << 8)); //交换高低字节

	return CRC_Value;
}
/********************************************************
  End Of File
********************************************************/

 

 

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