MODBUS MASTER RTU在STM32上的实现

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#嵌入式 #c/c++

本文介绍如何在STM32F042单片机上实现Modbus Master RTU，包括开发环境搭建、核心代码移植及调试过程。通过使用MDK-KEIL5、STM32-CUBE库等工具，以及对Arduino版Modbus Master的C++代码进行C语言移植。

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MODBUS MASTER RTU在STM32上的实现

1.概述

最近需要将几个信号采集模块通过总线串联起来，这样便于系统模块化。故将目光关注到了工业上经常使用的modbus协议。
modbus协议是一种一主多从的拓扑结构，主要是应用层软件协议，有关modbus的相关信息，可以自行google、百度。
STM32实现的Master工程代码在github上，点击获取。

2.开发环境

STM32F042单片机
MDK-KEIL5
STM32-CUBE库
Modbus slaver测试软件

3.移植来源

信号采集模块作为slaver，采用的是开源的freemodbus协议。关于其的实现大家百度一下都能发现，相关的移植过程介绍也很多，不再一一赘述。值得注意的是：这个freemodbus的源码值得一看，其判断对一帧数据包的接受采用的是定时器判断超时。大体思路是中断接收函数在接收每一个字节数据时会重置定时器，如果定时器发生定时溢出中断，则说明没有新数据到来，代表一个数据包接收完整。
然后就是master的设计实现。freemodbus并没有开源的master实现代码，故这部分需要我们自己开发完成。在github上发现有人发布了ardunio版本的master，但是ardunio的代码采C++语言编写，需要我们做一些C语言的移植和一些硬件底层接口的移植。

ardunio master的github源工程链接点击，感谢他的分享。

4.移植过程

了解ardunio modbus库的实现思路——很简单明了。打开源工程,里面有源代码和例程代码，不过例程代码需要用ardunio的IDE打开。其大体思路就是每个Modbus Function都用一个函数实现，如
```
  uint8_t ModbusMaster::readDiscreteInputs(uint16_t u16ReadAddress,uint16_t u16BitQty)
  {
    _u16ReadAddress = u16ReadAddress;
    _u16ReadQty = u16BitQty;
    return ModbusMasterTransaction(ku8MBReadDiscreteInputs);
   }
```
这个ModbusMasterTransaction函数就是根据用户选择的功能模块填充数组并且发送，然后等待从机回应的数据（带超时检测），接着解析接收到的数据包，如果成功则将数据放在_u16ResponseBuffer数组中
将ardunio的C++代码移植为C语言

将ardunio相关的serial等函数使用自己的代码实现，serial函数其实就是硬件层接口的函数封装，这也是移植到其他平台必须要根据自身平台做相应的改变。
(1). 在ModbusMasterTransaction函数中涉及到_serial->read()、_serial->write()、_serial->flush()、_serial->available()、millis()、bitWrite()、bitRead()、word()几种函数，从名字中我们就可以知道什么意思，故我们需要在我们的系统中重新实现这几个函数。
(2). 我们底层串口的设计思路如下，数据发送采用数据的发送直接采用循环发送，而STM32cube库已经将这个功能封装好API接口，我们再封装一层即可，如下所示

  /**
    * @brief  将数据包发送出去
    * @param
    * @note
    * @retval void
    * @author xiaodaqi
    */
  uint8_t Modbus_Master_Write(uint8_t *buf,uint8_t length)
  {
   if(HAL_UART_Transmit(&huart2 ,(uint8_t *)buf,length,0xff))
   {
     return HAL_ERROR;
   }
      else
      {
        return HAL_OK;
      }
  }

这句函数就相当于_serial->write()的实现。
(3). 串口数据的接收：我们采用中断接收的方式，并且在中断处理函数中将接收到的字节采用循环队压人缓冲区，这样子就能实现ardunio的功能代码。

跟底层相关的移植代码可到我的工程 Modbus_Master--trans_recieve_buff_control.c .h文件查看。

_serial->read()的变体为：

  /**
    * @brief  读出缓冲区的数据
    * @param
    * @note
    * @retval void
    * @author xiaodaqi
    */
  uint8_t Modbus_Master_Read(void)
  {
      uint8_t cur =0xff;
      if( !rbIsEmpty(&m_Modbus_Master_RX_RingBuff))
      {
            cur = rbPop(&m_Modbus_Master_RX_RingBuff);
      }
      return cur;
  }

_serial->flush()的变体为：

  /**
    * @brief  清除环形队列
    * @param
    * @note
    * @retval void
    * @author xiaodaqi
    */
  uint8_t Modbus_Master_Rece_Flush(void)
  {
    rbClear(&m_Modbus_Master_RX_RingBuff);
  }

_serial->available()的变体为：

  /**
    * @brief  判断ringbuffer里面是否有尚未处理的字节
    * @param
    * @note
    * @retval void
    * @author xiaodaqi
    */
  uint8_t Modbus_Master_Rece_Available(void)
  {
      /*如果数据包buffer里面溢出了，则清零，重新计数*/
          if(m_Modbus_Master_RX_RingBuff.flagOverflow==1)
          {
              rbClear(&m_Modbus_Master_RX_RingBuff);
          }
      return !rbIsEmpty(&m_Modbus_Master_RX_RingBuff);
  }

millis()的变体为：

  /**
    * @brief  1ms周期的定时器
    * @param
    * @note
    * @retval void
    * @author xiaodaqi
    */
  uint32_t Modbus_Master_Millis(void)
  {
    return HAL_GetTick();
  }

其余几个函数的变体如下：

  /*模拟ardunio函数*************************************************/
  static inline uint8_t lowByte(uint16_t ww)
  {
    return (uint8_t) ((ww) & 0x00FF);
  }

  static inline uint8_t highByte(uint16_t ww)
  {
    return (uint8_t) ((ww) >> 8);
  }

  static inline uint16_t word(uint8_t H_Byte,uint8_t L_Byte)
  {
      uint16_t word;
      word = (uint16_t)(H_Byte<<8);
      word = word + L_Byte;
    return word;
  }

  #define bitSet(value, bit)  ((value) |= (1UL << (bit))) 
  #define bitClear(value, bit)  ((value) &= ~(1UL << (bit)))

  #define bitWrite(value, bit, bitvalue) (bitvalue ? bitSet(value, bit) : bitClear(value, bit))
  #define bitRead(value, bit)  (((value) >> (bit)) & 0x01)

(4).剩下的就是串口的一些硬件初始化，如波特率等，这些配置由于我是用CUBEMX配置直接生成的代码，这里不做过多阐述。

5.代码调试

完成上述关键代码的移植后就可以进行调试了。

在main函数中增加如下的测试代码

    while (1)
    {
          uint8_t result;
          //测试read input registers功能
          //从机地址0x01 ,连续都2个地址为0x2的寄存器
          result = ModbusMaster_readInputRegisters(0x01,0x2, 2);
          if (result == 0x00)
          {
              Input_Result[0] = ModbusMaster_getResponseBuffer(0x00);
              Input_Result[1] = ModbusMaster_getResponseBuffer(0x01);
          }
              HAL_Delay(1000);
    }