利用STM32实现Modbus通信（RTU从机方案）

一、系统概述

Modbus是工业领域广泛应用的串行通信协议，支持RTU（二进制）和ASCII（文本）模式，本方案基于STM32F103C8T6（Cortex-M3，72MHz）实现Modbus RTU从机，通过RS485总线与主机（如PLC、PC）通信，支持保持寄存器（0x03/0x06/0x10）、线圈（0x01/0x05/0x0F） 读写，可扩展至其他功能码。核心功能包括：Modbus协议解析、寄存器管理、RS485收发控制、CRC校验。

二、硬件设计

2.1 核心组件

模块	型号/参数	功能说明
主控	STM32F103C8T6（64KB Flash，20KB RAM）	Modbus协议处理、寄存器管理、串口通信
通信接口	MAX485（RS485物理层）	实现Modbus RTU差分信号传输（半双工）
串口	USART1（PA9-TX，PA10-RX，115200bps）	连接MAX485，配置8N1（8数据位、无校验、1停止位）
定时器	TIM2（16位通用定时器）	计算Modbus RTU帧超时（3.5字符时间，如9600bps时≈3.64ms）
控制引脚	PB0（DE/RE）	控制MAX485收发模式（高电平发送，低电平接收）

2.2 硬件连接

模块	引脚（STM32F103C8T6）	说明
USART1	PA9（TX）→ MAX485 DI	发送数据
	PA10（RX）← MAX485 RO	接收数据
MAX485	DE/RE → PB0	收发控制（高=发送，低=接收）
RS485总线	A/B端子	连接主机（A-A，B-B）

三、软件设计（STM32标准库3.5）

3.1 系统架构

RS485
数据接收
解析请求
返回响应
数据发送
RS485
3.5T超时中断
主机（Modbus RTU）
STM32 USART1
FreeModbus协议栈
寄存器管理（保持寄存器/线圈）
TIM2

3.2 核心原理

1. Modbus RTU帧格式 ：[地址码(1)][功能码(1)][数据(n)][CRC16(2)]，CRC16校验确保数据完整性。

2. 从机工作流程：

• 接收主机请求帧，校验CRC；

• 解析功能码，操作对应寄存器（读/写）；

• 生成响应帧（含数据+CRC），通过RS485返回主机。

3.3 开发步骤

3.3.1 FreeModbus协议栈移植

• 获取源码 ：从FreeModbus官网下载V1.6稳定版，关键文件：

• modbus.c/modbus.h：协议核心（从机模式）；

• port/portserial.c/portserial.h：串口操作（需移植）；

• port/porttimer.c/porttimer.h：定时器操作（需移植）；

• port/portother.c/portother.h：临界区保护（关中断/开中断）。

3.3.2 STM32硬件初始化

（1）时钟与GPIO配置

#include "stm32f10x.h"

void RCC_Config(void) {
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART1 | RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // 串口1+定时器2时钟
}

void GPIO_Config(void) {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  
  // USART1_TX(PA9)：复用推挽输出
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  
  // USART1_RX(PA10)：浮空输入
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  
  // MAX485_DE/RE(PB0)：推挽输出（高=发送，低=接收）
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 初始接收模式
}

（2）USART1初始化（Modbus RTU，115200bps，8N1）

void USART1_Init(void) {
  USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
  USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
  USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
  USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
  USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
  USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 使能接收中断
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

（3）TIM2初始化（3.5T超时定时器，1ms基准）

void TIM2_Init(void) {
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
  TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 999;         // 1ms重装值（72MHz/72=1MHz，1ms=1000计数，重装值999）
  TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 71;        // 预分频72（72MHz/72=1MHz）
  TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = 0;
  TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);   // 使能更新中断
  TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);                      // 初始关闭，接收数据时启动
}

3.3.3 FreeModbus接口移植

（1）串口操作（portserial.c）

#include "portserial.h"
#include "stm32f10x_usart.h"

// 串口初始化（已在USART1_Init中实现）
BOOL xMBPortSerialInit(UCHAR ucPORT, ULONG ulBaudRate, UCHAR ucDataBits, eMBParity eParity) {
  return TRUE;
}

// 使能串口收发（DE/RE控制）
void vMBPortSerialEnable(BOOL xRxEnable, BOOL xTxEnable) {
  if (xRxEnable) {
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // MAX485接收模式（DE=0）
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 使能接收中断
  } else {
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, DISABLE);
  }
  
  if (xTxEnable) {
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // MAX485发送模式（DE=1）
  } else {
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  }
}

// 发送单个字节
BOOL xMBPortSerialPutByte(CHAR ucByte) {
  USART_SendData(USART1, ucByte);
  while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成
  return TRUE;
}

// 接收单个字节（中断中调用）
BOOL xMBPortSerialGetByte(CHAR *pucByte) {
  *pucByte = USART_ReceiveData(USART1);
  return TRUE;
}

（2）定时器操作（porttimer.c）

#include "porttimer.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

// 定时器初始化（3.5T超时，单位：50μs，115200bps时3.5T≈364μs=7.28×50μs→取整8）
BOOL xMBPortTimersInit(USHORT usTim1Timerout50us) {
  return TRUE; // 已在TIM2_Init中配置1ms基准，此处无需额外初始化
}

// 启动定时器（超时时间=usTim1Timerout50us×50μs）
void vMBPortTimersEnable(void) {
  TIM_SetCounter(TIM2, 0);       // 清零计数器
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);          // 启动定时器
}

// 关闭定时器
void vMBPortTimersDisable(void) {
  TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);         // 关闭定时器
  TIM_SetCounter(TIM2, 0);       // 清零计数器
}

// TIM2中断服务函数（1ms触发一次，累计超时）
void TIM2_IRQHandler(void) {
  if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    pxMBPortCBTimerExpired(); // 通知FreeModbus帧超时
  }
}

（3）寄存器定义（modbus_slave.c）

定义保持寄存器（0x03功能码）和线圈（0x01功能码）：

#include "modbus.h"

// 保持寄存器（地址0-9，16位整数）
USHORT usRegHoldingBuf[10] = {0x1234, 0x5678, 0x9ABC, 0xDEF0, 0x0001, 0x0002, 0x0003, 0x0004, 0x0005, 0x0006};

// 线圈（地址0-7，1位布尔值）
UCHAR ucRegCoilsBuf[1] = {0x01}; // 线圈0=ON（bit0=1），其余OFF

// 保持寄存器回调函数（读/写）
eMBErrorCode eMBRegHoldingCB(UCHAR *pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode) {
  if (usAddress + usNRegs > 10) return MB_ENOREG; // 地址越界
  if (eMode == MB_REG_READ) {
    memcpy(pucRegBuffer, &usRegHoldingBuf[usAddress], usNRegs * 2); // 16位寄存器，2字节/个
  } else { // 写
    memcpy(&usRegHoldingBuf[usAddress], pucRegBuffer, usNRegs * 2);
  }
  return MB_ENOERR;
}

// 线圈回调函数（读/写）
eMBErrorCode eMBRegCoilsCB(UCHAR *pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils, eMBRegisterMode eMode) {
  if (usAddress + usNCoils > 8) return MB_ENOREG; // 地址越界（8个线圈）
  if (eMode == MB_REG_READ) {
    for (int i=0; i<usNCoils; i++) {
      UCHAR bit = (ucRegCoilsBuf[usAddress/8] >> (usAddress%8)) & 0x01;
      pucRegBuffer[i/8] |= (bit << (i%8));
      usAddress++;
    }
  } else { // 写
    for (int i=0; i<usNCoils; i++) {
      if (pucRegBuffer[i/8] & (1 << (i%8))) {
        ucRegCoilsBuf[usAddress/8] |= (1 << (usAddress%8));
      } else {
        ucRegCoilsBuf[usAddress/8] &= ~(1 << (usAddress%8));
      }
      usAddress++;
    }
  }
  return MB_ENOERR;
}

3.3.4 主函数（Modbus轮询）

#include "stm32f10x.h"
#include "modbus.h"

int main(void) {
  RCC_Config();       // 时钟配置
  GPIO_Config();      // GPIO配置（USART1+PB0）
  USART1_Init();      // USART1初始化（115200bps）
  TIM2_Init();        // TIM2初始化（超时定时器）
  NVIC_Config();      // 中断优先级配置（USART1+TIM2）
  
  // 初始化FreeModbus从机（地址0x01，RTU模式，串口1，115200bps，无校验）
  eMBInit(MB_RTU, 0x01, 0, 115200, MB_PAR_NONE);
  eMBEnable();        // 使能Modbus
  
  while (1) {
    eMBPoll();        // 轮询Modbus事件（解析请求、发送响应）
  }
}

// 中断优先级配置（NVIC）
void NVIC_Config(void) {
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 分组2（2位抢占，2位响应）
  
  // USART1中断（接收）
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
  
  // TIM2中断（超时）
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

// USART1中断服务函数（接收数据）
void USART1_IRQHandler(void) {
  if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
    pxMBFrameCBByteReceived(); // 通知FreeModbus接收到一个字节
    USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
  }
}

参考代码 利用STM32单片机实现modbus通信 www.youwenfan.com/contentcst/56553.html

四、测试与验证

4.1 测试工具

• Modbus Poll（PC端）：发送0x03功能码读取保持寄存器（地址0-9），0x01功能码读取线圈（地址0-7）；

• 串口助手 ：监控USART1数据，验证帧格式（如读寄存器请求：01 03 00 00 00 0A C5 CD，响应：01 03 14 12 34 56 78 9A BC DE F0 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 XX XX，XX为CRC）。

4.2 关键参数

• 波特率：115200bps时，1字符=10位（8数据+1停止+1校验，无校验时为9位），3.5T≈3.5×9/115200≈273μs，TIM2中断1ms累计3次触发超时；

• CRC校验：FreeModbus自动处理CRC16（多项式0x8005），无需手动计算。

五、关键问题与解决方案

5.1 通信乱码

• 原因：波特率不匹配（如STM32用115200，主机用9600）、串口参数错误（数据位/校验位）；

• 解决 ：用示波器测量USART_TX引脚，确认波特率（115200bps时1位≈8.68μs），检查USART_InitStruct配置。

5.2 帧超时错误

• 原因：TIM2定时不准确（如预分频/重装值错误）、3.5T计算偏差；

• 解决：根据波特率调整TIM2重装值（如9600bps时3.5T≈364μs，TIM2 1ms中断累计1次触发超时）。

5.3 寄存器读写异常

• 原因：寄存器地址映射错误（如主机请求地址10，但从机仅定义0-9）；

• 解决 ：在eMBRegHoldingCB中添加地址越界判断（if (usAddress + usNRegs > 10) return MB_ENOREG;）。

六、总结

基于STM32F103实现了Modbus RTU从机，核心是FreeModbus协议栈移植+RS485收发控制+寄存器管理。通过简单修改寄存器定义（如扩展保持寄存器数量、添加输入寄存器），可支持更多功能码（0x04读输入寄存器、0x05写单线圈等），适用于工业传感器、执行器等设备的通信接口。