【嵌入式开发学习】第13天：Modbus 协议与工业设备通信（工业级嵌入式入门）

核心目标：掌握工业领域最常用的 Modbus 通信协议，实现 STM32 作为 Modbus 从机与工业主机（如 PLC、组态软件）通信，完成 “温湿度数据上传（寄存器读取）+ 远程控制 LED（线圈操作）” 的工业级交互 —— 这是从 “消费级物联网” 迈向 “工业控制” 的关键技能，广泛应用于工厂自动化、智能仪表等场景。

一、Modbus 协议：工业设备的 “通用语言”（30 分钟）

1. 为什么工业设备偏爱 Modbus？

• 开源免费：无专利限制，任何厂商都可实现；
• 简单可靠：基于串口（RTU 模式）或以太网（TCP 模式），协议帧结构简单，抗干扰能力强；
• 主从架构：1 台主机（如 PLC）可控制多台从机（如传感器、执行器），适合工业多设备组网。

2. Modbus 核心概念（以 RTU 模式为例）

• 通信物理层：基于串口（RS485 差分信号，传输距离远，抗干扰），波特率常用 9600bps，数据格式：8 位数据位 + 1 位停止位 + 无校验（或偶校验）。
• 主从结构：
  • 主机：主动发送指令（如 “读取从机 1 的温度寄存器”）；
  • 从机：被动响应（收到指令后执行操作并返回结果），每个从机有唯一地址（1-247）。
• 数据类型：
  • 线圈（Coil）：1 位，用于表示开关状态（如 LED 亮 / 灭），可读可写；
  • 离散输入（Discrete Input）：1 位，用于表示传感器输入（如按键），只读；
  • 保持寄存器（Holding Register）：16 位，用于存储数值（如温度、湿度），可读可写；
  • 输入寄存器（Input Register）：16 位，用于存储传感器采集的原始数据，只读。
• 功能码：指令的 “操作类型”，常用功能码：
  • 0x01：读线圈状态（读 1 位开关量）；
  • 0x05：写单个线圈（控制 1 位开关量，如 LED）；
  • 0x03：读保持寄存器（读 16 位数值，如温湿度）；
  • 0x06：写单个保持寄存器（修改数值，如阈值）。

二、硬件准备与接线（15 分钟）

1. 硬件清单

• STM32F103C8T6 开发板、AHT10 温湿度传感器（I2C）；
• RS485 模块（如 MAX485，实现串口信号与 RS485 差分信号转换）；
• 工业主机模拟器：电脑（安装 Modbus Poll 调试软件，模拟 PLC 作为主机）；
• 杜邦线、面包板、3.3V 电源。

2. 接线方式（Modbus RTU 从机）

设备	引脚连接（STM32 ↔ RS485 ↔ 电脑）	说明
STM32 USART1_TX（PA9）	→ RS485 DI（数据输入）	STM32 发送数据到 RS485 模块
STM32 USART1_RX（PA10）	→ RS485 RO（数据输出）	STM32 接收 RS485 模块数据
STM32 PA8	→ RS485 DE/RE（方向控制）	控制 RS485 收发方向（1 = 发送，0 = 接收）
RS485 A/B	→ 电脑 USB-RS485 模块 A/B	差分信号传输（A 接 A，B 接 B）
AHT10	同第八天（SCL→PB6，SDA→PB7）	提供温湿度数据（存入保持寄存器）
LED（PC13）	作为线圈（0x01 功能码控制）	演示开关量控制

三、Modbus RTU 从机协议实现（60 分钟，核心代码）

目标：STM32 作为 Modbus 从机（地址 0x01），实现：

• 保持寄存器：地址 0x0000 存储温度（放大 10 倍，如 25.3℃→253），0x0001 存储湿度（放大 10 倍）；
• 线圈：地址 0x0000 控制 LED（1 = 亮，0 = 灭）；
• 支持功能码：0x01（读线圈）、0x05（写线圈）、0x03（读保持寄存器）。

1. 协议帧结构与解析逻辑

Modbus RTU 帧由 “地址码 + 功能码 + 数据 + CRC 校验” 组成，例如：

• 主机读保持寄存器指令（读从机 0x01 的 0x0000-0x0001 共 2 个寄存器）：01 03 00 00 00 02 C4 0B
  • 01：从机地址；03：功能码；00 00：起始寄存器地址；00 02：寄存器数量；C4 0B：CRC 校验。
• 从机响应帧：01 03 04 00 FA 01 C8 75 3B
  • 01 03：地址和功能码；04：数据长度（4 字节）；00 FA：温度 250（25.0℃）；01 C8：湿度 456（45.6% RH）；75 3B：CRC 校验。

2. 核心代码实现（STM32 作为从机）

c

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <string.h>
#include <stdio.h>

// Modbus从机配置
#define SLAVE_ADDR 0x01        // 从机地址
#define BAUDRATE 9600          // 波特率
#define COIL_COUNT 1           // 线圈数量（控制LED）
#define HOLD_REG_COUNT 2       // 保持寄存器数量（温度、湿度）

// 数据存储区
uint8_t coil[COIL_COUNT] = {0};  // 线圈（0x0000：LED状态）
uint16_t hold_reg[HOLD_REG_COUNT] = {0};  // 保持寄存器（0x0000：温度，0x0001：湿度）

// AHT10温湿度采集（复用第八天代码）
float temp = 0.0, humi = 0.0;
uint8_t AHT10_ReadData(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { ... }  // 更新temp和humi

// RS485方向控制（1=发送，0=接收）
#define RS485_TX_EN() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET)
#define RS485_RX_EN() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET)

// 串口接收缓冲区（存储主机指令）
uint8_t modbus_rx_buf[256] = {0};
uint16_t modbus_rx_len = 0;

// CRC16校验计算（Modbus RTU必用）
uint16_t Modbus_CRC16(uint8_t *data, uint16_t len) {
  uint16_t crc = 0xFFFF;
  for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
    crc ^= data[i];
    for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
      if (crc & 0x0001) {
        crc >>= 1;
        crc ^= 0xA001;  // 多项式
      } else {
        crc >>= 1;
      }
    }
  }
  return crc;  // 高低位已交换，直接使用
}

// 解析主机指令并生成响应
void Modbus_ProcessFrame() {
  uint8_t tx_buf[256] = {0};
  uint16_t tx_len = 0;
  uint16_t crc;

  // 1. 校验从机地址（只处理目标地址为本机的指令）
  if (modbus_rx_buf[0] != SLAVE_ADDR) {
    modbus_rx_len = 0;
    return;
  }

  // 2. 校验CRC（指令最后2字节是CRC）
  crc = Modbus_CRC16(modbus_rx_buf, modbus_rx_len - 2);
  if (*(uint16_t*)&modbus_rx_buf[modbus_rx_len - 2] != crc) {
    modbus_rx_len = 0;
    return;  // CRC错误，不响应
  }

  // 3. 解析功能码并处理
  switch (modbus_rx_buf[1]) {
    case 0x01:  // 读线圈状态（主机读取LED状态）
      // 指令格式：[地址][0x01][起始线圈高8位][起始线圈低8位][数量高8位][数量低8位][CRC]
      uint16_t start_coil = (modbus_rx_buf[2] << 8) | modbus_rx_buf[3];
      uint16_t coil_num = (modbus_rx_buf[4] << 8) | modbus_rx_buf[5];
      
      // 检查线圈地址是否越界
      if (start_coil + coil_num > COIL_COUNT) {
        // 异常响应：功能码最高位置1（0x81），异常码0x02（地址越界）
        tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
        tx_buf[1] = 0x81;
        tx_buf[2] = 0x02;
        tx_len = 3;
      } else {
        // 正常响应：[地址][0x01][数据长度][线圈状态字节][CRC]
        tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
        tx_buf[1] = 0x01;
        tx_buf[2] = (coil_num + 7) / 8;  // 计算字节数（1字节=8线圈）
        // 填充线圈状态（此处只处理1个线圈，直接存coil[0]）
        tx_buf[3] = coil[0];
        tx_len = 4;
      }
      break;

    case 0x05:  // 写单个线圈（主机控制LED）
      // 指令格式：[地址][0x05][线圈地址高8位][线圈地址低8位][状态高8位][状态低8位][CRC]
      uint16_t coil_addr = (modbus_rx_buf[2] << 8) | modbus_rx_buf[3];
      uint16_t coil_state = (modbus_rx_buf[4] << 8) | modbus_rx_buf[5];
      
      if (coil_addr >= COIL_COUNT) {
        // 异常响应：功能码0x85，异常码0x02
        tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
        tx_buf[1] = 0x85;
        tx_buf[2] = 0x02;
        tx_len = 3;
      } else {
        // 正常响应：返回原指令（确认写入）
        memcpy(tx_buf, modbus_rx_buf, 6);  // 前6字节是地址+功能码+地址+状态
        tx_len = 6;
        // 控制LED（coil_state=0xFF00表示1，0x0000表示0）
        coil[0] = (coil_state == 0xFF00) ? 1 : 0;
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, coil[0] ? GPIO_PIN_RESET : GPIO_PIN_SET);
      }
      break;

    case 0x03:  // 读保持寄存器（主机读取温湿度）
      // 指令格式：[地址][0x03][起始寄存器高8位][起始寄存器低8位][数量高8位][数量低8位][CRC]
      uint16_t start_reg = (modbus_rx_buf[2] << 8) | modbus_rx_buf[3];
      uint16_t reg_num = (modbus_rx_buf[4] << 8) | modbus_rx_buf[5];
      
      if (start_reg + reg_num > HOLD_REG_COUNT) {
        // 异常响应：功能码0x83，异常码0x02
        tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
        tx_buf[1] = 0x83;
        tx_buf[2] = 0x02;
        tx_len = 3;
      } else {
        // 正常响应：[地址][0x03][数据长度][寄存器数据（高字节在前）][CRC]
        tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
        tx_buf[1] = 0x03;
        tx_buf[2] = reg_num * 2;  // 每个寄存器2字节
        // 填充寄存器数据（温度和湿度放大10倍，转为整数）
        for (uint16_t i = 0; i < reg_num; i++) {
          tx_buf[3 + i*2] = (hold_reg[start_reg + i] >> 8) & 0xFF;  // 高8位
          tx_buf[4 + i*2] = hold_reg[start_reg + i] & 0xFF;        // 低8位
        }
        tx_len = 3 + reg_num * 2;
      }
      break;

    default:  // 不支持的功能码
      tx_buf[0] = SLAVE_ADDR;
      tx_buf[1] = modbus_rx_buf[1] | 0x80;  // 功能码最高位置1
      tx_buf[2] = 0x01;  // 异常码：不支持的功能码
      tx_len = 3;
      break;
  }

  // 4. 计算响应帧CRC并添加到末尾
  crc = Modbus_CRC16(tx_buf, tx_len);
  tx_buf[tx_len++] = crc & 0xFF;    // CRC低8位
  tx_buf[tx_len++] = (crc >> 8) & 0xFF;  // CRC高8位

  // 5. 发送响应（切换RS485为发送模式）
  RS485_TX_EN();
  HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, tx_len, 100);
  HAL_Delay(1);  // 等待发送完成
  RS485_RX_EN();  // 切换回接收模式

  // 清空接收缓冲区，准备下一次接收
  modbus_rx_len = 0;
  memset(modbus_rx_buf, 0, sizeof(modbus_rx_buf));
}

// 串口接收中断（接收主机指令）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if (huart->Instance == USART1) {
    modbus_rx_len++;
    // 超过缓冲区大小或检测到帧间隔（超过3.5个字符时间，9600bps时约3.5ms）
    // 此处简化处理：假设主机指令最长20字节，满20字节或超时触发解析
    if (modbus_rx_len >= 20 || HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &modbus_rx_buf[modbus_rx_len], 1) != HAL_OK) {
      Modbus_ProcessFrame();  // 解析指令
    }
  }
}
/* USER CODE END 0 */

3. 主循环与任务调度

c

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();    // 初始化PA8（RS485方向）、PC13（LED）
  MX_USART1_UART_Init();  // 初始化USART1（9600bps，8N1）
  MX_I2C1_Init();    // 初始化I2C1（AHT10）

  // 初始化RS485为接收模式
  RS485_RX_EN();
  // 开启串口中断接收（每次接收1字节）
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, modbus_rx_buf, 1);

  while (1) {
    // 1. 定时采集温湿度，更新保持寄存器（每1秒）
    static uint32_t last_update = 0;
    if (HAL_GetTick() - last_update > 1000) {
      AHT10_ReadData(&hi2c1);  // 读取temp和humi
      hold_reg[0] = (uint16_t)(temp * 10);  // 温度放大10倍（25.3℃→253）
      hold_reg[1] = (uint16_t)(humi * 10);  // 湿度放大10倍
      last_update = HAL_GetTick();
    }
  }
}

四、调试与验证（30 分钟）

1. 主机端配置（Modbus Poll 软件）

1. 打开 Modbus Poll，点击 “Connection→Connect”：

   • Connection Type：RTU；
   • Port：选择电脑连接 RS485 模块的 COM 口；
   • Baudrate：9600；
   • Parity：None；
   • Slave ID：1（从机地址）。

2. 测试功能码 0x03（读保持寄存器）：

   • 点击 “Setup→Read/Write Definition”：
     • Function：03 Read Holding Registers；
     • Start Address：0；
     • Quantity：2；
   • 点击 “OK”，软件将周期性发送读取指令，收到温湿度数据（如 253→25.3℃，456→45.6% RH）。

3. 测试功能码 0x05（写线圈）：

   • 点击 “Setup→Read/Write Definition”：
     • Function：05 Write Single Coil；
     • Start Address：0；
     • Value：1（或0）；
   • 点击 “Send”，LED 将随指令亮灭。

五、第十三天必掌握的 3 个核心点

1. Modbus RTU 帧结构：理解 “地址 + 功能码 + 数据 + CRC” 的组成，能手动解析简单指令；
2. 从机工作流程：接收指令→校验地址和 CRC→解析功能码→执行操作→返回响应；
3. 工业通信特点：RS485 差分传输的抗干扰优势，主从架构在多设备组网中的应用。

总结

Modbus 是工业嵌入式开发的 “必备协议”，今天实现的从机功能可直接用于工厂中的传感器节点（如温湿度采集器）。进阶方向包括：

• 实现 Modbus TCP（基于以太网，适合远距离通信）；
• 支持更多功能码（如 0x10 写多个寄存器）；
• 多从机组网（通过地址区分不同设备）。