MODBUS协议在stm32F103处理器上的实现

刘继志，白晓亮

（1.河北申科电力股份有限公司产品研发中心，保定 071000：2.河北大学，保定 071002）

1 MODBUS协议

MODBUS协议是Modicon公司（现在的施耐德电气）于1979年发明的一种串行通信协议，最初是为解决可编程逻辑控制器（PLC）之间通信而制定的，现在在常用的控制器上都可以实现。MODBUS协议采用主从问答方式进行工作，允许一个主机与一个或者多个从机通讯，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（如以太网）和其他设备之间可以通信。不同厂商生产的控制设备通过MODBUS协议可以连成工业网络，进行集中监控。

MODBUS协议有两种传输方式：ASCII和RTU。对于ASCII模式，一个字节的数据，需要把高低4位分别转换为ASCII码传输；而RTU模式，是按16进制字符传输的。通过比较可以看出，相对于ASCII模式，RTU模式表达同样的信息需要的位数较少，在同样的传输速率下能获取更多的信息，可以提高通讯的效率。本文采用RTU传输模式，RTU模式的消息帧结构如表1所示。

表1 MODBUS帧结构

2 硬件设计

本设计采用了意法半导体的STM32系列微控制器，该控制器内核采用超低功率的ARMCortex-M3核心，具有高性能、低成本、低功耗的特点，同时集成了丰富出众的外设系统，具有集成度高和开发便捷的优势。系统硬件结构图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

系统硬件包括stm32f103微控制器、485通信电路、时钟电路、复位电路和电源电路等。stm32f103微控制器完成串口数据收发、数据帧的组包与解包、数据处理等，485通信电路部分采用了MAX483芯片，完成USART串口到485总线的转换，通过高速光耦隔离芯片TLP2362和stm32f103微控制器的USART串口连接。

3 软件设计

3.1 主程序

主程序首先完成外设的初始化，初始化完成后就等待串口中断，MODBUS数据接收和发送都在串口中断中调用相应的函数完成。初始化程序首先完成串口的初始化，包括打开串口时钟、配置GPIO复用功能、波特率、数据位数、奇偶校验和中断配置等。然后进行定时器初始化，定时器的作用是完成帧结束的判断，MODBUS规定，MODBUS每帧之间需要间隔3.5字符，串口发送的每个字节数据都包含1位起始位，8位数据位、1位奇偶校验位、1位停止位，共11位。以波特率9600为例，就需要4毫秒多，在此用定时器定时4.5ms。最后配置MODBUS的从站号、初始化接收和发送缓冲区。

3.2 MODBUS发送数据程序

MODBUS发送数据程序响应主机的请求，通过串口中断完成数据发送缓冲区数据的发送。MODBUS发送数据程序流程图见图2所示。

图2 MODBUS发送数据程序流程图

3.3 MODBUS接收数据程序

当串口接收数据后会触发中断，在中断函数中判断如果是接收到数据则调用MODBUS接收数据函数。MODBUS接收数据程序流程图见图3所示。

首先从串口缓冲区读取接收到的字符，判断当前是否处于消息处理中，如果处于消息处理中则直接退出，等待消息处理完成，如果没有处于消息处理中，通过判断和上个字符之间的间隔是否超4.5ms，确定是否为新一帧，如果是新的一帧且该字符等于本从站号，则初始化接收计数器，并把字符存放在接收缓冲区中，如果不是新的一帧，说明当前正在进行一帧的接收，则把字符直接放在接收缓冲区中。

图3 MODBUS接收数据程序流程图

3.4 MODBUS数据处理程序

从机在接收到主机发来的数据后，重新计算数据的CRC校验，并和数据中的CRC进行比较，如果相等说明数据无误，则读取功能码，根据不同功能码调用相应的处理函数；如果不相等说明数据有误，调用误差处理程序。

4 通信测试

从机通过U转485线和计算机相连，上位机通信测试软件采用了MODBUSPoll，设置好串口参数即可。测试了02功能码（输入状态寄存器）、04功能码（输入型寄存器）、05功能码（控制寄存器）、06和16功能码（配置参数寄存器），均能正常通信。

5 结束语

MODBUS广泛应用于自动化控制行业中，已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。本文在STM32F103微控制器上实现了MODBUS的数据通信，并将其应用在低压监测设备中，并进行了实际测试和使用。