嵌入式开发之如何在STM32上使用Modbus协议进行通信？

在 STM32 上使用 Modbus 协议进行通信需要结合硬件配置和软件实现。下面我将从硬件连接、软件配置到代码实现，为你提供一个完整的指南。

硬件连接

Modbus RTU 通常使用 RS-485 接口进行通信，因此需要一个 RS-485 转换器。典型的连接方式如下：

1. STM32 与 RS-485 转换器连接：

   • STM32 的 UART TX 引脚 → RS-485 转换器的 DI（数据输入）
   • STM32 的 UART RX 引脚 → RS-485 转换器的 RO（数据输出）
   • STM32 的一个 GPIO 引脚 → RS-485 转换器的 RE/DE（接收 / 发送使能）

2. RS-485 网络连接：

   • RS-485 转换器的 A 线 → 网络中的 A 线
   • RS-485 转换器的 B 线 → 网络中的 B 线
   • 两端设备需连接 120Ω 终端电阻

STM32CubeMX 配置

使用 STM32CubeMX 配置基本外设：

1. 配置 UART：

   • 选择一个 UART（如 USART1）
   • 设置波特率（如 115200）、数据位（8）、停止位（1）、无校验
   • 启用接收和发送

2. 配置 GPIO：

   • 选择一个 GPIO 引脚作为 RS-485 的发送使能控制（如 PA8）
   • 设置为输出模式

3. 配置 NVIC：

   • 启用 UART 接收中断

4. 生成代码：

   • 选择 IDE（如 MDK-ARM、System Workbench 等）
   • 生成初始化代码

软件实现

结合前面提供的 Modbus 库和 STM32 HAL 库，实现 Modbus RTU 通信：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "modbus.h"

/* 定义硬件资源 */
extern UART_HandleTypeDef huart1;
#define RS485_DIR_PIN GPIO_PIN_8
#define RS485_DIR_PORT GPIOA

/* 定义Modbus上下文和缓冲区 */
ModbusContext modbus_ctx;
uint8_t modbus_rx_buffer[256];

/* 硬件接口函数：发送数据 */
static int modbus_hw_send(const uint8_t* data, uint32_t length, void* context) {
    (void)context;
    
    /* 切换到发送模式 */
    HAL_GPIO_WritePin(RS485_DIR_PORT, RS485_DIR_PIN, GPIO_PIN_SET);
    
    /* 发送数据 */
    HAL_StatusTypeDef status = HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)data, length, 1000);
    
    /* 等待发送完成 */
    while (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TC) == RESET);
    
    /* 切换到接收模式 */
    HAL_GPIO_WritePin(RS485_DIR_PORT, RS485_DIR_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    return (status == HAL_OK) ? (int)length : -1;
}

/* 硬件接口函数：接收数据 */
static int modbus_hw_receive(uint8_t* data, uint32_t max_length, uint32_t timeout_ms, void* context) {
    (void)context;
    
    /* 使用中断方式接收数据 */
    HAL_StatusTypeDef status = HAL_UART_Receive(&huart1, data, max_length, timeout_ms);
    
    return (status == HAL_OK) ? (int)max_length : -1;
}

/* UART接收中断回调函数 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef* huart) {
    if (huart == &huart1) {
        /* 数据接收完成，可添加处理逻辑 */
    }
}

/* 初始化Modbus */
void Modbus_Init(void) {
    /* 初始化Modbus上下文 */
    ModbusError error = Modbus_Init(&modbus_ctx, MB_RTU, 0x01, 
                                   modbus_hw_send, modbus_hw_receive, 
                                   NULL, modbus_rx_buffer, sizeof(modbus_rx_buffer));
    
    if (error != MODBUS_OK) {
        /* 处理初始化错误 */
    }
    
    /* 设置超时时间 */
    Modbus_SetTimeout(&modbus_ctx, 1000);
    
    /* 连接Modbus */
    Modbus_Connect(&modbus_ctx);
}

/* 主函数中的Modbus操作示例 */
void Modbus_Task(void) {
    uint16_t holding_regs[10];
    ModbusError error;
    
    /* 读取保持寄存器 */
    error = Modbus_ReadHoldingRegisters(&modbus_ctx, 0x02, 0x0000, 5, holding_regs);
    if (error == MODBUS_OK) {
        /* 处理读取的数据 */
    } else {
        /* 处理错误 */
    }
    
    /* 写入单个寄存器 */
    error = Modbus_WriteSingleRegister(&modbus_ctx, 0x02, 0x0001, 0x1234);
    if (error != MODBUS_OK) {
        /* 处理错误 */
    }
    
    /* 延时 */
    HAL_Delay(100);
}

主函数实现

int main(void) {
    /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    /* 初始化Modbus */
    Modbus_Init();
    
    /* 启动UART接收中断 */
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, modbus_rx_buffer, 1);
    
    /* 主循环 */
    while (1) {
        /* 处理Modbus任务 */
        Modbus_Task();
        
        /* 其他任务 */
        HAL_Delay(10);
    }
}

注意事项

1. RS-485 方向控制：

   • 在发送数据前将 RS-485 设置为发送模式
   • 发送完成后将 RS-485 设置为接收模式
   • 确保有足够的延时，避免数据冲突

2. 中断处理：

   • 实现 UART 接收中断处理函数
   • 在中断处理函数中处理接收到的数据

3. 错误处理：

   • 检查 Modbus 操作的返回值
   • 实现错误恢复机制

4. 性能优化：

   • 使用 DMA 进行数据传输，减少 CPU 占用
   • 优化接收缓冲区管理

5. 电源和接地：

   • 确保所有设备共地
   • 考虑使用隔离型 RS-485 转换器

通过以上步骤，你可以在 STM32 上成功实现 Modbus RTU 通信。根据实际需求，你可以进一步扩展功能，如添加更多的 Modbus 功能码支持、实现 Modbus 服务器模式等。