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Modbus RTU协议详解：基于 STM32 与脉冲电源的通信项目实例

news 来源：原创 2025/5/19 9:19:57

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

起始位：1 位，用于标识数据帧的开始。
数据位：可设置为 7 位或 8 位，本项目默认采用 8 位数据位，能传输更多的数据信息。
停止位：可设置为 1 位或 2 位，本项目默认采用 1 位停止位，用于标识数据帧的结束。
校验位：可设置为偶校验、无校验或奇校验，本项目默认采用偶校验，用于检测数据传输过程中是否发生错误。

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：

从站地址	功能代码	首寄存器地址	寄存器数 N	CRC16
1 字节	1 字节	2 字节	2 字节	2 字节

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：

从站地址	功能代码	字节数	寄存器数据	CRC16
1 字节	1 字节	1 字节	N * 2 字节	2 字节

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：

从站地址	功能代码	首寄存器地址	寄存器数 N	字节数	寄存器数据	CRC16
1 字节	1 字节	2 字节	2 字节	1 字节	N * 2 字节	2 字节

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：

从站地址	功能代码	首寄存器地址	寄存器数 N	CRC16
1 字节	1 字节	2 字节	2 字节	2 字节

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

功能代码	ModBus 名	功能名	广播	数量
03H	Read Holding Registers	读 N 个寄存器值	No	5
10H	Write Multiple Registers	写 N 个寄存器值	No	5

4.2 功能代码说明

03H：用于主站向从站读取多个保持寄存器的值。主站指定起始寄存器地址和要读取的寄存器数量，从站将相应寄存器的值返回给主站。
10H：用于主站向从站写入多个保持寄存器的值。主站指定起始寄存器地址、要写入的寄存器数量和具体的寄存器数据，从站将数据写入相应的寄存器。

五、寄存器地址表

5.1 寄存器地址表内容

编号	参数符号	参数名	地址	类型	数据类型	数值范围	备注
1	V	电压显示值	0	读	16 位无符号(World)	0 - 1200 (10 进制)	电压有一位小数点，读到 800 代表 80.0V
2	I	电流显示值	1	读	16 位无符号(World)	0 - 2000 (10 进制)	电流有 2 个小数点，读 1500 代表 15.00A
3		状态显示	2	读	16 位无符号(World)	0 - 4 (10 进制)	0——正常 1——过热 2——过流 3——其它
4	F	频率显示	3	读	16 位无符号(World)	额定值范围内(10 进制)	读到 6000 代表 6000HZ
5	D	占空比显示	4	读	16 位无符号(World)	0 - 100 (10 进制)	读到 100 代表 100%
6	FV	电压设置值	5	写	16 位无符号(World)	0 - 1200 (10 进制)	电压有一位小数点，写入 1000 代表 100.0V
7	FI	电流设置值	6	写	16 位无符号(World)	0 - 2000 (10 进制)	电流有 2 个小数点，写入 1000 代 10.00A
8	FF	频率设置	7	写	16 位无符号(World)		写入 3000 代表 3000HZ
9	FD	占空比设置	8	写	16 位无符号(World)	0 - 100	写入 50 代表 50%
10	RUN	启停命令	9	写	16 位无符号(World)	0 - 1	0 - 关机 1 - 开机
11		备用	10		16 位无符号(World)
12	VC/CC	稳压稳流	11	写	16 位无符号(World)	0 - 1	0 - 稳流 1 - 稳压
13		脉冲个数设置	12	写	16 位无符号(World)	1 - 60000	写入 200 代表 200 个
14		间隔时间	13	写	16 位无符号(World)	1 - 99999	写入 100 代表 100 秒
15		循环次数	14	写	16 位无符号(World)	1 - 99999	写入 100 代表 100 次
16		脉冲启动	15	写	16 位无符号(World)	0 - 1	0 - 关闭脉冲 1 - 启动脉冲

5.2 寄存器地址表说明

数据类型：所有寄存器的数据类型均为 16 位无符号整型（两字节）。
小数点处理：通信传输中带小数点的数据全部用整数代替，例如 27.9 代替为 279。
数据传输顺序：全部寄存器数据在传输过程中用十六进制数表示，先传高字节，再传低字节。例如，传送 279 时，先传 01H，再传 17H。

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

串口初始化：USART1_Init 函数使用标准固件库的GPIO和USART初始化函数对串口进行配置，设置波特率、数据位、停止位、校验位等参数，并使能接收中断。
CRC16校验：crc16 函数根据Modbus RTU协议的规则计算CRC校验值，用于保证消息帧的完整性。
消息帧发送：sendReadRequest 函数构建读寄存器请求消息帧，计算CRC校验值，并通过串口发送出去。
消息帧接收：在 USART1_IRQHandler 中断服务函数中接收从站的响应消息帧，将数据存储在 receiveBuffer 中。processResponse 函数用于处理接收到的响应，验证CRC校验值并解析数据。

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。