第八章：开关量传感器从设备程序设计（实战案例）

8.1 项目概述

本章以一块STM32开发板为例，设计一个开关量传感器从设备。该设备具有：

3个按键输入（作为离散输入 DI）
2个继电器输出（作为线圈 DO，控制外部设备）
3个LED输出（作为线圈 DO）

设备通过RS485接口以Modbus RTU协议与主站通信。

8.2 硬件引脚定义

根据提供的表格，硬件连接如下：

功能	引脚	电平逻辑	Modbus类型
KEY1	PA3	低电平表示被按下	DI
KEY2	PA4	低电平表示被按下	DI
KEY3	PA5	低电平表示被按下	DI
K1_CTRL（继电器1）	PB5	高电平使能继电器	DO
K2_CTRL（继电器2）	PB4	高电平使能继电器	DO
LED1	PB11	低电平发光	DO
LED2	PB12	低电平发光	DO
LED3	PB13	低电平发光	DO

注意：电平逻辑不一致，编程时需要根据实际情况进行转换。

8.3 Modbus寄存器地址分配

根据需求，设备地址设为01H，寄存器分配如下：

设备地址	寄存器地址	寄存器类别	用途	描述（位值）
01H	0000H	DI	读取按键KEY1	1-被按下
	0001H	DI	读取按键KEY2	1-被按下
	0002H	DI	读取按键KEY3	1-被按下
	0003H	DO	控制继电器1（K1）	1-吸合
	0004H	DO	控制继电器2（K2）	1-吸合
	0005H	DO	控制LED1	1-亮
	0006H	DO	控制LED2	1-亮
	0007H	DO	控制LED3	1-亮

注意：这里地址是Modbus协议中的地址（从0开始），对应PLC组态地址：DI为10001~10003，DO为00001~00005（但实际PLC地址会偏移1，这里暂不展开）。

8.4 代码整体结构分析

代码基于STM32 HAL库和FreeRTOS，使用libmodbus库实现Modbus RTU从站。

8.4.1 头文件与宏定义

cs 复制代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "uart_device.h"
#include "modbus.h"
#include "errno.h"

#define USE_SWITCH_SENSOR 1
#ifdef USE_SWITCH_SENSOR
#define SLAVE_ADDR 1
#define NB_BITS             5   // 线圈数量（继电器2 + LED3 = 5）
#define NB_INPUT_BITS       3   // 离散输入数量（按键3）
#define NB_REGISTERS        0   // 保持寄存器数量（本示例未使用）
#define NB_INPUT_REGISTERS  0   // 输入寄存器数量（本示例未使用）
#endif

解释：

NB_BITS = 5：对应地址0003H~0007H，共5个线圈输出。
NB_INPUT_BITS = 3：对应地址0000H~0002H，共3个离散输入。
寄存器类数据未使用，设置为0。

8.4.2 FreeRTOS任务创建

cs 复制代码

osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {
  .name = "defaultTask",
  .stack_size = 128 * 4,
  .priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,
};

void MX_FREERTOS_Init(void) {
    defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);
}

创建一个名为defaultTask的任务，堆栈512字节（128*4），优先级正常。

8.4.3 任务函数 `StartDefaultTask`

这是核心的Modbus从设备处理循环。我们分段解析。

8.4.3.1 初始化Modbus上下文

cs 复制代码

GPIO_PinState val;
uint8_t *query;
modbus_t *ctx;
int rc;
modbus_mapping_t *mb_mapping;

ctx = modbus_new_st_rtu("uart1", 115200, 'N', 8, 1);
modbus_set_slave(ctx, SLAVE_ADDR);
query = pvPortMalloc(MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH);

modbus_new_st_rtu：自定义函数，标准libmodbus为modbus_new_rtu。作用：创建RTU上下文，指定串口设备名（"uart1"）、波特率115200、无校验、8数据位、1停止位。
modbus_set_slave(ctx, SLAVE_ADDR)：设置从站地址为1。
pvPortMalloc：FreeRTOS的内存分配函数，为接收缓冲区分配内存，大小MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH（通常256字节）。

8.4.3.2 创建数据映射

cs 复制代码

mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(0, NB_BITS,        // 线圈起始0，数量5
                                               0, NB_INPUT_BITS,  // 离散输入起始0，数量3
                                               0, NB_REGISTERS,   // 输入寄存器起始0，数量0
                                               0, NB_INPUT_REGISTERS); // 保持寄存器起始0，数量0

modbus_mapping_new_start_address 是libmodbus提供的函数，用于创建映射结构体并分配内存。
线圈：从地址0开始，共5个。
离散输入：从地址0开始，共3个。
其他寄存器未使用，数量0。

8.4.3.3 连接串口

cs 复制代码

rc = modbus_connect(ctx);
if (rc == -1) {
    modbus_free(ctx);
    vTaskDelete(NULL);
}

打开串口设备，配置波特率等。失败则释放资源并删除任务。

8.4.3.4 主循环：接收请求 → 更新输入 → 回复 → 更新输出

cs 复制代码

for (;;) {
    do {
        rc = modbus_receive(ctx, query);
    } while (rc == 0);  // 过滤掉查询（可能是广播或过滤后的请求）

    if (rc == -1 && errno != EMBBADCRC) {
        continue;  // 非CRC错误则跳过本次循环（实际应该处理重连等）
    }

    // 更新输入寄存器（读取按键）
#ifdef USE_SWITCH_SENSOR
    /* key1 */
    val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3);
    mb_mapping->tab_input_bits[0] = (val == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;

    /* key2 */
    val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4);
    mb_mapping->tab_input_bits[1] = (val == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;

    /* key3 */
    val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    mb_mapping->tab_input_bits[2] = (val == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;
#endif

    // 处理请求并发送响应
    rc = modbus_reply(ctx, query, rc, mb_mapping);
    if (rc == -1) {
        // 错误处理（可忽略）
    }

    // 根据线圈状态更新物理输出
#ifdef USE_SWITCH_SENSOR
    /* 继电器1 */
    if (mb_mapping->tab_bits[0])  // 地址0003H对应tab_bits[0]
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);   // 高电平吸合
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);

    /* 继电器2 */
    if (mb_mapping->tab_bits[1])  // 地址0004H对应tab_bits[1]
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);

    /* LED1 */
    if (mb_mapping->tab_bits[2])  // 地址0005H对应tab_bits[2]
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET); // 低电平亮
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);

    /* LED2 */
    if (mb_mapping->tab_bits[3])  // 地址0006H对应tab_bits[3]
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);

    /* LED3 */
    if (mb_mapping->tab_bits[4])  // 地址0007H对应tab_bits[4]
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
#endif
}

8.4.3.5 清理资源

cs 复制代码

modbus_mapping_free(mb_mapping);
vPortFree(query);
modbus_close(ctx);
modbus_free(ctx);
vTaskDelete(NULL);

8.5 关键细节深入解析

8.5.1 输入读取与电平转换

按键电路通常采用上拉电阻，按键按下时引脚为低电平。因此代码中：

cs 复制代码

val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3);
mb_mapping->tab_input_bits[0] = (val == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;

GPIO_PIN_RESET 表示低电平。按下时，读到的值为GPIO_PIN_RESET，我们将其映射为1（表示按下）。这符合寄存器说明中"1-被按下"的定义。

8.5.2 输出控制与电平转换

继电器控制：K1_CTRL接PB5，高电平使能继电器。所以当tab_bits[0]为1时，我们输出高电平；为0时输出低电平。
LED控制：LED共阳或共阴设计，这里采用低电平点亮。所以当tab_bits[2]为1（要求LED亮）时，输出低电平GPIO_PIN_RESET；否则输出高电平GPIO_PIN_SET。

注意：代码中if (mb_mapping->tab_bits[2])条件成立（为1）时，执行HAL_GPIO_WritePin(..., GPIO_PIN_RESET)，符合预期。

8.5.3 线圈与离散输入的地址对应

tab_input_bits数组索引0对应Modbus地址0x0000（DI KEY1），索引1对应0x0001（DI KEY2），索引2对应0x0002（DI KEY3）。
tab_bits数组索引0对应Modbus地址0x0003（DO 继电器1），索引1对应0x0004（DO 继电器2），索引2对应0x0005（DO LED1），索引3对应0x0006（DO LED2），索引4对应0x0007（DO LED3）。

这种对应关系由modbus_mapping_new_start_address(0, NB_BITS, 0, NB_INPUT_BITS, ...)决定：线圈从地址0开始分配，离散输入也从地址0开始分配，但它们是两个独立的地址空间，在Modbus协议中通过功能码区分。例如：

读线圈（功能码0x01）使用线圈地址空间，地址0x0003对应tab_bits[0]。
读离散输入（功能码0x02）使用离散输入地址空间，地址0x0000对应tab_input_bits[0]。

8.5.4 接收过滤循环

cs 复制代码

do {
    rc = modbus_receive(ctx, query);
} while (rc == 0);

modbus_receive返回0表示接收到的请求被过滤（例如广播地址，从设备不回应）。这里循环直到收到一个有效请求（rc>0）或错误（rc==-1）。

8.5.5 错误处理

cs 复制代码

if (rc == -1 && errno != EMBBADCRC) {
    continue;
}

如果错误是CRC错误（EMBBADCRC），则不退出，继续接收下一个请求（因为可能是线路干扰）。其他错误（如连接断开）则跳过本次循环，但实际应处理重连逻辑，这里简化了。

8.5.6 更新输入和输出时机

输入读取：在每次收到有效请求后立即更新，确保主站读到最新按键状态。
输出更新：在回复请求后更新，这样主站写入线圈后，硬件立即响应。注意，即使没有收到写请求，输出也可能因之前的状态保持不变。

8.6 完整点表回顾

根据代码和硬件，最终的点表可以总结为：

类型	Modbus地址	PLC地址（常见）	名称	访问	说明
离散输入	0x0000	10001	KEY1	只读	1=按下
离散输入	0x0001	10002	KEY2	只读	1=按下
离散输入	0x0002	10003	KEY3	只读	1=按下
线圈	0x0003	00004	继电器1	读写	1=吸合
线圈	0x0004	00005	继电器2	读写	1=吸合
线圈	0x0005	00006	LED1	读写	1=亮
线圈	0x0006	00007	LED2	读写	1=亮
线圈	0x0007	00008	LED3	读写	1=亮

注意：PLC地址通常从1开始编号，且用前缀表示类型。例如线圈00001对应Modbus地址0x0000，这里为了对齐，我们将线圈地址0x0003映射到PLC地址00004，是因为PLC地址1对应Modbus地址0，所以偏移1。读者在实际应用中需注意组态软件的地址偏移习惯。

8.7 程序执行流程图

cs 复制代码

任务启动
  ↓
创建Modbus上下文
  ↓
设置从站地址
  ↓
创建数据映射
  ↓
连接串口
  ↓
主循环
  ├→ 接收请求
  ├→ 读取按键状态 → 更新tab_input_bits
  ├→ 回复响应（modbus_reply）
  ├→ 根据tab_bits更新继电器/LED
  └→ 继续循环

8.8 调试与验证

使用Modbus主站软件（如Modbus Poll）测试：

读离散输入（功能码02）：读取地址0~2，验证按键状态是否正确。
写单个线圈（功能码05）：分别写地址3~7，观察继电器和LED是否按预期动作。
写多个线圈（功能码15）：同时控制多个输出。

8.9 本章核心知识点总结

从设备程序设计三要素：初始化、数据映射、请求处理循环。
数据映射（modbus_mapping_t） ：将Modbus地址空间映射到内存数组，通过tab_bits和tab_input_bits访问。
输入更新时机：在每次收到请求后立即更新，确保数据实时性。
输出更新时机：在回复请求后立即根据映射值控制硬件，实现主站写入立即生效。
电平极性处理：根据硬件电路将物理电平转换为逻辑值（1/0），并在输出时反向转换。
错误处理：区分CRC错误和其他错误，CRC错误可忽略继续接收。
FreeRTOS集成 ：使用pvPortMalloc分配内存，任务循环中不能阻塞太久（但Modbus接收可能阻塞，需合理设置超时）。

8.10 扩展思考

如何增加保持寄存器？比如设置设备地址、波特率等参数。
如何支持广播地址？从设备对广播请求不回复，但需执行写操作。
如何处理多个从站共存？每个从站有唯一地址，程序只需关心自身地址。

本章结束
通过本章实战，你应该能够独立完成一个基于libmodbus的开关量传感器从设备程序设计，理解Modbus地址映射、输入输出控制和请求处理的全流程。

第八章：开关量传感器从设备程序设计（实战案例）

8.1 项目概述

8.2 硬件引脚定义

8.3 Modbus寄存器地址分配

8.4 代码整体结构分析

8.4.1 头文件与宏定义

8.4.2 FreeRTOS任务创建

8.4.3 任务函数 StartDefaultTask

8.4.3.1 初始化Modbus上下文

8.4.3.2 创建数据映射

8.4.3.3 连接串口

8.4.3.4 主循环：接收请求 → 更新输入 → 回复 → 更新输出

8.4.3.5 清理资源

8.5 关键细节深入解析

8.5.1 输入读取与电平转换

8.5.2 输出控制与电平转换

8.5.3 线圈与离散输入的地址对应

8.5.4 接收过滤循环

8.5.5 错误处理

8.5.6 更新输入和输出时机

8.6 完整点表回顾

8.7 程序执行流程图

8.8 调试与验证

8.9 本章核心知识点总结

8.10 扩展思考

8.4.3 任务函数 `StartDefaultTask`