一种基于STM32的Modbus—RS485通信方法

赵艳明 曾培峰

文章编号： 2095-2163（2018）03-0050-05中图分类号： 文献标志码： A

摘要： 关键词： （School of Computer Science and Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Based on STM32 chip， a Modbus-RS485 communication method is proposed. The method uses the object-oriented technology to manage Modbus calls and serial ports is universal， which can be easily portable to other systems with the same characteristics. After that， the paper elaborates using a state machine to manage Modbus communication combined with logs， so that the communication network has self-diagnosis and adaptive function. In combination with the characteristics of STM32 chip and Modbus protocol， a DMA receiving data method is proposed which is independent of the Modbus command length. This method can be used as a reference scheme to solve the low communication efficiency and slow data transmission of Modbus-RS485.

Key words：

引言

Modbus-RS485是一種在工业现场广泛使用的布网方法＼[1＼]。RS485总线上最多支持255个从站，然而在实际应用场景中从站的数量远远大于这个数量。可采用扩展Modbus地址域，或者数据域中添入物理地址来增加从站的数量＼[2＼]。

常见的Modbus通信方法有2种。一种是主站根据要请求的数据信息，封装相应的请求帧，并生成对应的定时器，通信程序通过定时器来执行Modbus通话＼[3＼]。这种方法存在明显的缺点，如果定时器时间设置过短容易发生数据碰撞，过长则导致通信效率低。另外一种是主站一次只允许发起一个通话，当从站回复数据或者从站在规定时间内不回复数据，主站才可以发起下一次通话＼[4＼]，这种方法和第一种没有本质上的区别。

STM32芯片常见的数据接收方法有串口中断＼[5＼]和DMA中断 ＼[6-7＼]。使用串口中断接收数据存在2个缺点。其一是接收效率太低，其二是通信双方要设置既定的结束符。使用DMA中断能够提高数据接收效率，前提条件是接收的长度固定。然而挂载在同一根RS485总线上的从站回复的数据帧长度是不固定的，此时无法使用DMA接收中断。

本文采用面向对象的思想将Modbus通话封装成任务，任务中增加了通话对应的端口地址，使用这种方式使得主站可以访问从站的数量超过255个。将实现数据收发的串口封装成端口，一个端口对应一个对象，任务对象和端口对象通过消息建立联系。通信程序使用状态机管理Modbus通信，并将通信过程中的异常状况以日志的形式记录下来。通过对日志提取分析当前网络状态，动态调整任务调度。此外，本文基于STM32芯片，未配置DMA接收中断实现一种DMA接收长度不固定的Modbus数据帧的方法。

1系统介绍

使用STM32芯片的串口实现RS485通信需结合RS485收发器。系统结构如图1所示，图中每个I/O端口连接一条RS485总线。

在系统中，主站和从站的串口设置，包括：波特率、停止位、奇偶校验等重要匹配。RS485总线上的Modbus协议使用半双工主从方式通信，主站发起Modbus通话向从站发出请求，从站则处于接收状态，一直等待主站发送的数据。

2系统中的对象

在RS485总线下主站通过Modbus请求数据帧访问从站，通信程序中如果直接为每个功能设计写定一段请求帧，虽然程序看起来比较直观，但是这种方式丧失了通用性，且可维护性差。在系统移植时，需要变更程序内请求帧。因此要将运算时的变量和实际操作变量的函数分离。在系统中的Modbus通话是有限的，可将通话封装成任务。将通信系统中的所有任务的描述，以XML配置文件的方式得到保存。XML文件可用一个专门的上位机生成，当需要增加、删除、修改功能时，就可通过上位机来重新生成配置文件，并将配置文件导入到单片机中，单片机通过文件解析程序构建任务对象。任务对象定义可见表1。

属性名称描述属性名称描述Index任务的编号cmd数组，存放请求数据帧PortIndex任务对应的端口号Cmdlen数据帧长度DeviceAddr设备地址rcvCmd指针，指向接收数组Function功能码RcvLen接收数据长度RegAddr寄存器地址TErrorCount超时错误计数Interval任务的扫描周期SErrorCount发送错误计数Timeout任务超时时间RErrorCount接收错误计数Timer任务的执行时间Traffic任务执行次数计数status枚举，任务状态Enable任务使能开关同理，将每个物理串口映射到唯一的逻辑端口，每个端口都是一个对象。端口对象的定义则可见表2。

任务的调度借助一个循环链表，任务可以加入到链表的前提是任务使能开关被打开。系统经过初始化后，开始依次执行链表中的任务。周期性的任务常存在链表中；非周期任务，则在每次任务轮询前插入到链表，或者从链表中删除。当串口连接了RS485总线，并且总线上挂载了从站时，将打开串口对应的逻辑端口的使能开关，从而激活端口对象。

属性名称描述属性名称描述TaskAddr指针，指向任务Sendlen发送长度status枚举，端口状态RcvBuf数组，接收数据Timer端口工作时间Rcvlen接收长度Timeout端口超时时间Enable端口使能开关SendBuf指针，指向发送数组通信网络需具备自诊断与自适应的功能，实现这一功能借助于系统日志，通过日志及时发现并处理通信异常状况。通信双方的串口设置不匹配或者从站出现异常的现象是：从站对应任务的Traffic统计中，RErrorCount数值偏高，而与该任务使用同一端口的其它任务RErrorCount数值正常。此时可以减少对该任务的轮询。当物理链路发生损坏时，会导致端口发送出错误的请求命令，可设计硬件回送功能再次检查发送的数据。链路损坏的现象是：当前任务和该任务使用同一个端口的其它任务的Traffic统计中SErrorCount都偏高，此时停止执行该端口对应下的所有任务。

3DMA数据收发

如果单纯使用串口接收中断的方式实现数据接收，频繁地触发串口接收中断将会严重影响CPU的执行效率。STM32芯片提供了将串口复用成DMA的功能。DMA发送数据时，发送数据的长度是已知的，可配置DMA发送完成中断来告知数据发送完成。但是在接收数据时，数据的长度是未知的。因此使用DMA接收数据需要解决2个问题，分别是：

（1）如何判断有数据接收。

（2）如何从接收的数据中解析出一条完整的指令。

首先定义4个标志位，也就是：curPos、lastPos、startPos、 prev。定义一个和时间相关的变量LastRcvTime。其中，curPos指向当前接收数据位置；lastPos指向上次数据接收的位置；startPos指向开始接收数据的位置；prev指向数据接收完毕的位置；LastRcvTime记录最近一次接收数据的时间。数据接收状态如图2所示。图2数据接收状态

Fig. 2Data receiving state

将DMA配置成循环模式，并设置队列长度RXLen。DMA中的CNDTR寄存器会记录数据的接收位置（curPos）。使用STM32芯片提供的SysTick_Handler滴答计时器定时查看curPos是否发生变化，结合Modbus协议特点，如果3.5个字节（记为frameTime）内curPos一直不发生变化，认为DMA接收数据完毕。具体流程如下。

（1）当准备接收数据前、系统新近开始接收数据或者上一次命令接收结束后。置4个标志位为同一位置（RXLen-CNDTR）。

（2）通过SysTick_Handler函数定时查看curPos是否发生改变。如果发生改变，则将LastRcvTime赋值为当前系统时间，并且将lastPos赋值为curPos。

（3）当curPos数值和lastPos数值相等时，可认为当前数据可能接收完毕。

（4）frameTime内curPos不发生改变，即系统当前时间systemTime和LastRcvTime的差值超过frameTime，认为当前数据接收完毕，将prev赋值为curPos。此时认为startPos和prev之间接收为一条待验证的Modbus命令。

4状态机模型建立

4.1端口状态机

在端口对象定义中，status是一个枚举类型，包含了端口7个状态，端口的状态转换如图3所示。

图3中，CRC（Sending（msg））表示对回送的数据做CRC校验，检验结果正确时值为0，否则值不为0。任务与端口的关系是多对一的，并且主站可以访问同一从站的不同寄存器。因此Prase（Receiving（msg））不仅对接收的数据启用CRC校验，也会对设备地址和功能码进行检查。端口状态机的处理流程描述如下。

（1）当端口对象处于Port_Idle狀态，并且端口的TaskAddr指针指向为空时，此时端口可被占用。

（2）当端口对象被占用之后，端口对象将指针变量TaskAddr指向当前任务。通过端口，该指针可获得任务对象存储发送的命令的数组的地址和命令的长度。端口开始发送数据，跳转到Port_Sending状态。

（3）对回送数据进行CRC校验。如果检验失败，跳转到Port_SendError状态；如果校验正确，跳转到Port_Wait状态。

（4）如果没有数据接收，则继续等待，并开始计时，等待超时则跳转到Port_Timeout状态。如果发现有数据接收，跳转到Port_ Receiving状态。

（5）判断当前数据是否接收完毕。数据接收完毕后对数据进行解析。解析包括CRC校验、设备地址的检查。如果解析失败，则跳转到Port_ReceiveError；如果解析成功，则将数据的接收地址和接收的长度通过任务指针告知给任务对象。

（6）当端口处于Port_SendError、Port_Timeout、Port_ReceiveError异常状态时，会将状态反馈给任务。

4.2任务状态机

任务对象定义中，status是一个枚举类型，任务包含了10个状态，任务状态转换如图4所示。

设计任务状态机时有一个前提条件：正确的命令可能会收到正确的回复数据，不正确的命令一定收不到正确的回复数据。因此在任务状态机中增加Task_Retry状态，尽可能保证发出的请求命令是正确的。图4中，rescheduleTime表示任务再次发起的时间，该值为任务开始进入Task_Retry的系统时间systemTime加扫描周期Interval。任务状态机的处理流程可分述如下。

（1）开始任务对象处于Task_Idle状态。当有任务执行时，跳转到Task_Check状态，检查要绑定的是否被占用。

（2）如果端口被占用，放弃当前任务，跳转到Task_Idle状态。如果没有被占用，则跳转到Task_Bind状态。

（3）任务会把命令数组的地址和长度告知给端口，跳转到Task_Schedule状态。

（4）当任务对象接收到端口Port_Timeout、Port_ReceiveError异常状况反馈时，相应跳转到Task_Timeout状态、Task_ReceiveError状态，同时TErrorCount、SErrorCount的数值加1，将异常状况保存到日志当中，并跳转到Task_Unbind状态。

（5）任务得到接收的地址和长度，跳转到Task_Receive状态。将得到的数据返回给Modbus主站后，跳转到Task_Unbind状态。

（6）当任务接收到端口Port_SendError反馈，首先跳转到Task_SendError状态，RErrorCount数值加1，把异常状况保存到日志当中。然后判断任务的执行时间是否已经结束。如果已经结束，跳转到Task_Unbind状态。如果还未结束，则跳转到Task_Retry状态。

（7）任务处于Task_Retry状态，需要等到扫描周期才能再次发起任务。在扫描周期内，任务一直处于该状态。一旦等到扫描周期，则跳转到Task_Schedule状态。

（8）任务处于Task_Unbind状态时，无论任务执行成功，或是失败，都会解除对端口的占用。

5结束语

实现面向对象方法既可避免重复性代码的编写，又容易维护。作为一种思想，这是不受编程语言限制的，本文利用面向对象和状态机设计研发的RS485-Modbus通信方法具备通用性。同时，将通信异常状况以日志的形式记录下来，通信网络借助日志使得自身具备自诊断性和自适应性。文中提出的DMA接收数据方法亦可使用于同特点的其它系统中。

参考文献

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