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Modbus是一个非常好用的通讯协议，经常用在串口通讯中，也可以用在网口。它既简洁又规范，尤其在工业中应用非常广泛。Modbus的程序实现也比较简单，用户可以自己实现，也可以移植开源的协议代码，比如今天要介绍的FreeModbus。
硬件环境：STM32F103C8T6
软件环境：STM32CubeMX v6.1.1
HAL库：STM32CubeF1 Firmware Package V1.8.3
FreeModbus版本：freemodbus-v1.6
freemodbus下载地址：https://github.com/cwalter-at/freemodbus
1.FreeModbus文件说明
下载之后解压出来，可以看到文件夹内包含以下内容。我们需要关注的只有modbus文件夹和demo下的BARE文件夹。modbus文件夹下是协议的具体代码。Demo->BARE文件夹下是接口文件，需要用户进行移植和修改的。
2.STM32CubeMX配置
需要使能一个串口和一个定时器，定时器的功能是用于检测3.5个字符的空闲，以判断一帧数据的结束。这里以USART1和TIM4为例进行介绍。
定时器配置：
串口配置：
定时器和串口的参数任意即可，具体在程序中进行配置。打开定时器和串口的中断，且串口中断的优先级要高于定时器中断。
串口和定时器中断程序我们自己编写，所以这里需要取消串口和定时器中断自动生成代码的选项。如下图：
3.FreeModbus移植
生成代码后，将下载的FreeModbus的源码复制到工程目录中，在Keil工程中新建两个Group组：FreeModbus和Port。添加modbus文件夹下的全部文件到FreeModbus组。将Demo->BARE->Port文件夹下的文件添加到Port组。同时新建一个Port.c文件也添加到Port组。
另外，别忘了在工程中添加包含路径，否则编译出错。
下面开始程序移植，首先是portserial.c文件，该文件是串口的接口文件，包含以下函数：串口使能、串口初始化、发送一个字节、接收一个字节等。我们需要自己实现完成这些函数的内容。完成后的内容如下：
void
vMBPortSerialEnable( BOOL xRxEnable, BOOL xTxEnable )
{
/* If xRXEnable enable serial receive interrupts. If xTxENable enable
* transmitter empty interrupts.
*/
if(xRxEnable)
{
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE); //使能接收中断
}
else
{
__HAL_UART_DISABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE); //关闭接收中断
}
if(xTxEnable)
{
SET_DE; //485芯片设置为发送模式
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_TXE); //使能发送中断
}
else
{
__HAL_UART_DISABLE_IT(&huart1, UART_IT_TXE); //关闭发送为空中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_TC); //使能发送完成中断
}
}
BOOL
xMBPortSerialInit( UCHAR ucPORT, ULONG ulBaudRate, UCHAR ucDataBits, eMBParity eParity )
{
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = ulBaudRate;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
switch(eParity)
{
// 奇校验
case MB_PAR_ODD:
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_ODD;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_9B; //带奇偶校验数据位为9bits
break;
//偶校验
case MB_PAR_EVEN:
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_EVEN;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_9B; //带奇偶校验数据位为9bits
break;
//无校验
default:
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; //无奇偶校验数据位为8bits
break;
}
return HAL_UART_Init(&huart1) == HAL_OK ? TRUE : FALSE;
}
BOOL
xMBPortSerialPutByte( CHAR ucByte )
{
/* Put a byte in the UARTs transmit buffer. This function is called
* by the protocol stack if pxMBFrameCBTransmitterEmpty( ) has been
* called. */
USART1->DR = ucByte;
return TRUE;
}
BOOL
xMBPortSerialGetByte( CHAR * pucByte )
{
/* Return the byte in the UARTs receive buffer. This function is called
* by the protocol stack after pxMBFrameCBByteReceived( ) has been called.
*/
*pucByte = (USART1->DR & (uint16_t)0x00FF);
return TRUE;
}
/* Create an interrupt handler for the transmit buffer empty interrupt
* (or an equivalent) for your target processor. This function should then
* call pxMBFrameCBTransmitterEmpty( ) which tells the protocol stack that
* a new character can be sent. The protocol stack will then call
* xMBPortSerialPutByte( ) to send the character.
*/
static void prvvUARTTxReadyISR( void )
{
pxMBFrameCBTransmitterEmpty( );
}
/* Create an interrupt handler for the receive interrupt for your target
* processor. This function should then call pxMBFrameCBByteReceived( ). The
* protocol stack will then call xMBPortSerialGetByte( ) to retrieve the
* character.
*/
static void prvvUARTRxISR( void )
{
pxMBFrameCBByteReceived( );
}
//串口中断函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE)) //接收中断标
{
__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE); //清除中断标记
prvvUARTRxISR(); //通知modbus有数据到达
}
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TXE)) //发送中断标记被置位
{
__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TXE); //清除中断标记
prvvUARTTxReadyISR(); //通知modbus数据可以发松
}
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TC)) //发送完成中断
{
__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TC); //清除中断标记
CLR_DE; //485芯片设置为接收模式
}
}
然后是porttimer.c文件，该文件是定时器的接口文件。定时器的作用是用于通知modbus协议栈3.5个字符的空闲时间已经到达。我们需要实现定时器的初始化和中断相关函数，定时需要配置为50us计数一次，具体计数周期与波特率有关。完成后的内容如下：
BOOL
xMBPortTimersInit( USHORT usTim1Timerout50us )
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
htim4.Instance = TIM4;
htim4.Init.Prescaler = 3599; //50us计数一次
htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim4.Init.Period = usTim1Timerout50us - 1;
htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim4.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
if (HAL_TIM_Base_Init(&htim4) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim4, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim4, &sMasterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE); //使能定时器更新中断
return TRUE;
}
inline void
vMBPortTimersEnable( )
{
/* Enable the timer with the timeout passed to xMBPortTimersInit( ) */
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim4, 0); //清空定时器
__HAL_TIM_ENABLE(&htim4); //使能定时器
}
inline void
vMBPortTimersDisable( )
{
/* Disable any pending timers. */
__HAL_TIM_DISABLE(&htim4); //关闭定时器
}
/* Create an ISR which is called whenever the timer has expired. This function
* must then call pxMBPortCBTimerExpired( ) to notify the protocol stack that
* the timer has expired.
*/
static void prvvTIMERExpiredISR( void )
{
( void )pxMBPortCBTimerExpired( );
}
//定时器4中断函数
void TIM4_IRQHandler(void)
{
if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim4, TIM_FLAG_UPDATE)) //判断更新中断
{
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim4, TIM_FLAG_UPDATE); //清除中断标记
prvvTIMERExpiredISR(); //通知modbus3.5个字符等待时间到
}
}
接下来需要实现的就是port.c文件，需要实现各个寄存器/线圈的读写函数，可以参考demo->BARE文件夹下的demo.c文件。完成后的内容如下：
//输入寄存器
#define REG_INPUT_START 3000
#define REG_INPUT_NREGS 4
//保持寄存器
#define REG_HOLD_START 4000
#define REG_HOLD_NREGS 10
//线圈
#define REG_COILS_START 0
#define REG_COILS_NREGS 4
//开关寄存器
#define REG_DISCRETE_START 1000
#define REG_DISCRETE_NREGS 4
/* ----------------------- Static variables ---------------------------------*/
static USHORT usRegInputStart = REG_INPUT_START;
static USHORT usRegInputBuf[REG_INPUT_NREGS];
static USHORT usRegHoldStart = REG_HOLD_START;
static USHORT usRegHoldBuf[REG_HOLD_NREGS];
static USHORT usRegCoilsStart = REG_COILS_START;
static uint8_t usRegCoilsBuf[REG_COILS_NREGS];
static USHORT usRegDiscreteStart = REG_DISCRETE_START;
static uint8_t usRegDiscreteBuf[REG_DISCRETE_NREGS];
/* ----------------------- Start implementation -----------------------------*/
//int
//main( void )
//{
// eMBErrorCode eStatus;
// eStatus = eMBInit( MB_RTU, 0x0A, 0, 38400, MB_PAR_EVEN );
// /* Enable the Modbus Protocol Stack. */
// eStatus = eMBEnable( );
// for( ;; )
// {
// ( void )eMBPoll( );
// /* Here we simply count the number of poll cycles. */
// usRegInputBuf[0]++;
// }
//}
/****************************************************************************
* 名 称：eMBRegInputCB
* 功 能：读取输入寄存器，对应功能码是 04 eMBFuncReadInputRegister
* 入口参数：pucRegBuffer: 数据缓存区，用于响应主机
* usAddress: 寄存器地址
* usNRegs: 要读取的寄存器个数
* 出口参数：
* 注 意：上位机发来的 帧格式是: SlaveAddr(1 Byte)+FuncCode(1 Byte)
* +StartAddrHiByte(1 Byte)+StartAddrLoByte(1 Byte)
* +LenAddrHiByte(1 Byte)+LenAddrLoByte(1 Byte)+
* +CRCAddrHiByte(1 Byte)+CRCAddrLoByte(1 Byte)
* 3 区
****************************************************************************/
eMBErrorCode
eMBRegInputCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs )
{
eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;
int iRegIndex;
usAddress = usAddress - 1;
if( ( usAddress >= REG_INPUT_START ) && ( usAddress + usNRegs <= REG_INPUT_START + REG_INPUT_NREGS ) )
{
iRegIndex = ( int )( usAddress - usRegInputStart );
while( usNRegs > 0 )
{
*pucRegBuffer++ = ( unsigned char )( usRegInputBuf[iRegIndex] >> 8 );
*pucRegBuffer++ = ( unsigned char )( usRegInputBuf[iRegIndex] & 0xFF );
iRegIndex++;
usNRegs--;
}
}
else
{
eStatus = MB_ENOREG;
}
return eStatus;
}
/****************************************************************************
* 名 称：eMBRegHoldingCB
* 功 能：对应功能码有：06 写保持寄存器 eMBFuncWriteHoldingRegister
* 16 写多个保持寄存器 eMBFuncWriteMultipleHoldingRegister
* 03 读保持寄存器 eMBFuncReadHoldingRegister
* 23 读写多个保持寄存器 eMBFuncReadWriteMultipleHoldingRegister
* 入口参数：pucRegBuffer: 数据缓存区，用于响应主机
* usAddress: 寄存器地址
* usNRegs: 要读写的寄存器个数
* eMode: 功能码
* 出口参数：
* 注 意：4 区
****************************************************************************/
eMBErrorCode
eMBRegHoldingCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode )
{
eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;
int iRegIndex;
usAddress = usAddress - 1;
if((usAddress >= REG_HOLD_START) && ((usAddress+usNRegs) <= (REG_HOLD_START + REG_HOLD_NREGS)))
{
iRegIndex = (int)(usAddress - usRegHoldStart);
switch(eMode)
{
case MB_REG_READ://读寄存器
while(usNRegs > 0)
{
*pucRegBuffer++ = (uint8_t)(usRegHoldBuf[iRegIndex] >> 8);
*pucRegBuffer++ = (uint8_t)(usRegHoldBuf[iRegIndex] & 0xFF);
iRegIndex++;
usNRegs--;
}
break;
case MB_REG_WRITE://写寄存器
while(usNRegs > 0)
{
usRegHoldBuf[iRegIndex] = *pucRegBuffer++ << 8;
usRegHoldBuf[iRegIndex] |= *pucRegBuffer++;
iRegIndex++;
usNRegs--;
}
}
}
else//错误
{
eStatus = MB_ENOREG;
}
return eStatus;
}
/****************************************************************************
* 名 称：eMBRegCoilsCB
* 功 能：对应功能码有：01 读线圈 eMBFuncReadCoils
* 05 写线圈 eMBFuncWriteCoil
* 15 写多个线圈 eMBFuncWriteMultipleCoils
* 入口参数：pucRegBuffer: 数据缓存区，用于响应主机
* usAddress: 线圈地址
* usNCoils: 要读写的线圈个数
* eMode: 功能码
* 出口参数：
* 注 意：如继电器
* 0 区
****************************************************************************/
eMBErrorCode
eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils, eMBRegisterMode eMode )
{
eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;
USHORT iRegIndex;
USHORT usCoilGroups = ((usNCoils - 1) / 8 + 1);
UCHAR ucStatus = 0;
UCHAR ucBits = 0;
UCHAR ucDisp = 0;
usAddress = usAddress - 1;
if((usAddress >= REG_COILS_START) && ((usAddress + usNCoils) <= (REG_COILS_START + REG_COILS_NREGS)))
{
iRegIndex = (int)(usAddress - usRegCoilsStart);
switch(eMode)
{
case MB_REG_READ://读线圈
while(usCoilGroups--)
{
ucDisp = 0;
ucBits = 8;
while((usNCoils--) != 0 && (ucBits--) != 0)
{
ucStatus |= (usRegCoilsBuf[iRegIndex++] << (ucDisp++));
}
*pucRegBuffer++ = ucStatus;
}
break;
case MB_REG_WRITE://写线圈
while(usCoilGroups--)
{
ucStatus = *pucRegBuffer++;
ucBits = 8;
while((usNCoils--) != 0 && (ucBits--) != 0)
{
usRegCoilsBuf[iRegIndex++] = ucStatus & 0X01;
ucStatus >>= 1;
}
}
}
}
else//错误
{
eStatus = MB_ENOREG;
}
return eStatus;
}
/****************************************************************************
* 名 称：eMBRegDiscreteCB
* 功 能：读取离散寄存器，对应功能码有：02 读离散寄存器 eMBFuncReadDiscreteInputs
* 入口参数：pucRegBuffer: 数据缓存区，用于响应主机
* usAddress: 寄存器地址
* usNDiscrete: 要读取的寄存器个数
* 出口参数：
* 注 意：1 区
****************************************************************************/
eMBErrorCode
eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete )
{
eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;
USHORT iRegIndex;
USHORT usDiscreteGroups = ((usNDiscrete - 1) / 8 + 1);
UCHAR ucStatus = 0;
UCHAR ucBits = 0;
UCHAR ucDisp = 0;
usAddress = usAddress - 1;
if((usAddress >= REG_DISCRETE_START) && ((usAddress + usNDiscrete) <= (REG_DISCRETE_START + REG_DISCRETE_NREGS)))
{
iRegIndex = (int)(usAddress - usRegDiscreteStart);
while(usDiscreteGroups--)
{
ucDisp = 0;
ucBits = 8;
while((usNDiscrete--) != 0 && (ucBits--) != 0)
{
if(usRegDiscreteBuf[iRegIndex])
{
ucStatus |= (1 << ucDisp);
}
ucDisp++;
}
*pucRegBuffer++ = ucStatus;
}
}
else//错误
{
eStatus = MB_ENOREG;
}
return eStatus;
}
最后在主程序中初始化并调用相关函数即可：
eMBInit(MB_RTU, 0x01, 0, 9600, MB_PAR_NONE); // 初始化modbus为RTU方式，地址0x01, 波特率9600，无校验
eMBEnable(); // 使能modbus协议栈
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
eMBPoll();
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}4.总结
FreeModbus实现了Modbus协议的全部功能，移植和使用起来也比较简单。唯一不足的是只有从机协议是开源的，而主机协议是收费的。