基于APM32F407的MODBUS RTU 从设备实现

只看该作者 · 2024-11-28 16:54

简介MODBUS RTU 是一种广泛应用于工业自动化的串行通信协议。本技术贴基于 APM32F407 开发板，通过 UART 外设实现了 MODBUS RTU 的从设备功能，包括数据收发、帧解析、CRC 校验，以及功能码的处理，支持读取线圈、写单个线圈和诊断命令等功能。

1. MODBUS RTU 数据帧结构
MODBUS RTU 通信帧由以下部分组成：

地址域

1 字节

从设备地址，范围为 1-247，地址 0 表示广播。

功能码

1 字节

定义从设备的具体操作，例如读写寄存器、读写线圈等。

数据域

N 字节

根据功能码定义，包含具体命令参数或返回数据。

CRC 校验

2 字节

使用 CRC16 校验数据完整性，生成多项式为 0xA001。

UART 初始化：支持 MODBUS RTU 的波特率、校验位和停止位配置。
数据收发：使用中断方式高效接收数据，支持完整的数据发送和接收。
CRC 校验：验证通信数据完整性，避免数据传输错误。
帧解析与功能码处理：
- 读取线圈状态（功能码 0x01）。
- 写单个线圈（功能码 0x05）。
- 诊断命令（功能码 0x08）。

3. 代码实现
3.1 串口初始化
在 bsp_usart.c 文件中添加串口初始化函数，配置 UART 满足 MODBUS 通信需求。

#include "bsp_usart.h"
#include "apm32f4xx_usart.h"
#include "apm32f4xx_gpio.h"
#include "apm32f4xx_rcm.h"

void USART_MODBUS_Init(void)
{
// 启用 USART 和 GPIO 时钟
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_USART1);
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);

// 配置 GPIO PA9 (TX) 和 PA10 (RX)
GPIO_Config_T gpioConfig;
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AF;
gpioConfig.outtype = GPIO_OUT_TYPE_PP;
gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;
gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);

GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_9, GPIO_AF_USART1);
GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_10, GPIO_AF_USART1);

// 配置 USART
USART_Config_T usartConfig;
usartConfig.baudRate = 9600;             // 波特率
usartConfig.wordLength = USART_WORD_LEN_8B; // 数据长度
usartConfig.stopBits = USART_STOP_BIT_1; // 停止位
usartConfig.parity = USART_PARITY_EVEN;    // 校验位
usartConfig.mode = USART_MODE_TX_RX;       // 收发模式
USART_Config(USART1, &usartConfig);

// 启用 USART
USART_Enable(USART1);
}

3.2 数据收发
接收缓冲与中断
通过中断方式接收数据，缓冲区存储接收到的帧数据。
#define MODBUS_BUFFER_SIZE 256

static uint8_t modbusRxBuffer[MODBUS_BUFFER_SIZE];
static uint16_t modbusRxIndex = 0;

void USART1_IRQHandler(void)
{
if (USART_ReadStatusFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE))
{
      // 接收数据存入缓冲区
      modbusRxBuffer[modbusRxIndex++] = USART_RxData(USART1);
      if (modbusRxIndex >= MODBUS_BUFFER_SIZE)
      {
         modbusRxIndex = 0; // 防止溢出
      }
}
}

数据发送
实现完整数据帧发送功能。
void USART_MODBUS_Send(uint8_t *data, uint16_t length)
{
for (uint16_t i = 0; i < length; i++)
{
      USART_TxData(USART1, data); // 发送数据
      while (!USART_ReadStatusFlag(USART1, USART_FLAG_TXE)); // 等待发送完成
}
}

3.3 CRC 校验
MODBUS RTU 使用 CRC16 校验确保数据完整性。

CRC 校验代码

uint16_t MODBUS_CRC16(uint8_t *data, uint16_t length)
{
uint16_t crc = 0xFFFF;

for (uint16_t i = 0; i < length; i++)
{
      crc ^= data;
      for (uint8_t j = 0; j < 8; j++)
      {
         if (crc & 0x0001)
            crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
         else
            crc >>= 1;
      }
}

return crc;
}

3.4 帧解析与功能码处理
帧解析函数
解析接收到的 MODBUS 数据帧，根据功能码调用相应的处理逻辑。

void MODBUS_ProcessFrame(uint8_t *frame, uint16_t length)
{
if (length < 4) return; // 最小帧长度：地址 + 功能码 + CRC

uint16_t crcReceived = (frame[length - 2] | (frame[length - 1] << 8));
uint16_t crcCalculated = MODBUS_CRC16(frame, length - 2);

if (crcReceived != crcCalculated)
{
      printf("CRC Error\n");
      return;
}

uint8_t functionCode = frame[1];

switch (functionCode)
{
      case 0x01: // 读取线圈状态
         MODBUS_ReadCoils(frame, length);
         break;

      case 0x05: // 写单个线圈
         MODBUS_WriteSingleCoil(frame, length);
         break;

      case 0x08: // 诊断命令
         MODBUS_Diagnostics(frame, length);
         break;

      default:
         printf("Unsupported Function Code\n");
         break;
}
}

读取线圈状态
#define MAX_COILS 128
static uint8_t coilStatus[MAX_COILS] = {0}; // 模拟线圈状态数组

void MODBUS_ReadCoils(uint8_t *frame, uint16_t length)
{
uint16_t startAddress = (frame[2] << 8) | frame[3];
uint16_t quantity = (frame[4] << 8) | frame[5];

uint8_t byteCount = (quantity + 7) / 8;
uint8_t response[256];
response[0] = frame[0];
response[1] = 0x01;
response[2] = byteCount;

for (uint16_t i = 0; i < quantity; i++)
{
      uint16_t byteIndex = i / 8;
      uint16_t bitIndex = i % 8;
      if (coilStatus[startAddress + i])
      {
         response[3 + byteIndex] |= (1 << bitIndex);
      }
      else
      {
         response[3 + byteIndex] &= ~(1 << bitIndex);
      }
}

uint16_t crc = MODBUS_CRC16(response, 3 + byteCount);
response[3 + byteCount] = crc & 0xFF;
response[4 + byteCount] = (crc >> 8) & 0xFF;

USART_MODBUS_Send(response, 5 + byteCount);
}

写单个线圈

void MODBUS_WriteSingleCoil(uint8_t *frame, uint16_t length)
{
uint16_t address = (frame[2] << 8) | frame[3];
uint16_t value = (frame[4] << 8) | frame[5];

if (value == 0xFF00)
{
      coilStatus[address] = 1;
}
else if (value == 0x0000)
{
      coilStatus[address] = 0;
}

USART_MODBUS_Send(frame, length); // 回显请求帧
}

诊断命令

void MODBUS_Diagnostics(uint8_t *frame, uint16_t length)
{
USART_MODBUS_Send(frame, length); // 回显请求帧
}

4. 主程序整合

int main(void)
{
USART_MODBUS_Init();

while (1)
{
      if (modbusRxIndex > 0)
      {
         MODBUS_ProcessFrame(modbusRxBuffer, modbusRxIndex);
         modbusRxIndex = 0;
      }
}
}

5. 技术总结
支持功能
读取线圈状态（功能码 0x01）
写单个线圈（功能码 0x05）
诊断命令（功能码 0x08）

代码亮点

实现了完整的 MODBUS 数据帧收发和 CRC 校验。
支持多种功能码，扩展性强。
中断机制提高了通信效率。

通过本贴的完整实现，可以构建一个标准的 MODBUS 从设备。如果需要扩展其他功能码，框架可以快速适配。