原子级操作快速自制modbus协议

原子级操作手把手搞懂modbus协议

本文主要参考安富莱老师的modbus资料，做了一些自己的思考与感悟，可以方便新手同学的快速入门，建议看完本文后再对原文进行学习彻底搞懂modbus协议，传送门如下：安富莱modbus协议

1 modbus协议基础概念

1.1 使用场所

modbuds主要配合RS485总线使用，主要解决的是主从栈协议的数据收发问题。

通俗理解就是：RS485的数据规定比较简单，只规定了一些电气特征（主要是物理层的一些东西，如高低电平的电压值等） ，

但是对数据层的一些数据没有进行说明，这就导致了以下的一些问题：

1. 控制器如何获取传感器的数据，怎样能在正确的时间区分不同的传感器数据
2. 各传感器数据如何上传，只有一条总线，假如存在10个传感器，这些传感器如何上传自己的数据才不会造成线路的拥堵，如何才能区分不同传感器节点的数据

归根到底：传感器节点比较多，但总线只有一条，怎样进行传感器数据的上传才不会造成数据的冲突和总线的拥挤

为了解决这个问题，引入了主从站的概念。

1.2 主从协议站

主从协议栈的特点如下所示：

1. 同一时刻，总线中只有一个主节点存在；
2. 总线中最多有247个子节点（GB-TB19582-2008中规定）
3. 通讯时总是由主节点发起，子节点不主动上传数据，子节点之间不进行互相通讯
4. 子节点必须有唯一的地址（1-247）

主从协议栈中主要存在两种数据模式：

• 单播模式：主节点通过特定地址访问特定子节点（发起请求），从结点收到请求后进行应答返回报文；
• 广播模式：主节点向所有的节点发起请求，从结点无需应答；
  • 广播模式一般用于写请求中，所有子节点原则上必须接受广播模式的写功能；
  • 地址0用于广播数据，子节点地址禁止占用地址0

1.3 modbus帧描述

modbus帧如上所示：
首先是地址域：用于主节点请求特定的节点数据，也用于从节点应答时主节点区分不同的从节点；

功能码和数据域：实现modbus的主要功能（如对 特定节点 写入 特定数据）

CRC：校验码，查看数据是否正确的校验段

1.4 数据模式

一般modbus的数据有两种数据可选：RTU（16进制） 和 ASCII

二者的数据密度比较：

假设表示127这个数，RTU需要 0001 1111(7E)一个字节表示,ASCII需要发送1 2 7三个字节表示，所以RTU的数据密度较高，这样的话就可以节省数据发送及传输的任务量，大大减小总线的负担。

字节(注意这是每个字节的数据格式，每个bit可以代表一个电平，只有二进制的0/1)格式如下所示：


每字节bit流如上图所示，说明如下：

起始位：bit1

数据位：bit2~bit9

校验位（有的话）：bit10

停止位：有校验的话bit11，没有校验的话bit10~bit11

帧数据的格式如下所示：

总线报文格式：

数据在总线上发送的时候必须以连续的数据帧格式进行发送，帧内若两个字符之间的数据时间间隔小于1.5字符时间的话。

总线报文格式：

数据帧的话之间的空闲时间至少需要3.5个字符时间。

1.5 modbus状态机

1、初始态，初始化t3.5（超过3.5个字符传播的时间），如果超过t3.5的话，那就证明时间超时了，就进入空闲态；

2、空闲态：就是总线上没有数据传输的状态

3、发送态：主从栈进行数据发送的状态，发送完成启动t3.5；

4、接收态：接收时启动t1.5和t3.5，接收时会有这两种时间，但二者的话肯定时t1.5先达到，因此t1.5来临的时候，进入一种新的状态，控制和等待状态；

5、控制和等待状态：当t1.5超时之后，有两种可能，一种是这一帧数据不完整，此时的话校验位肯定不对；另一种时数据完整，校验位没问题，再等两个字符时间后到达t3.5后进入空闲状态。

2 modbus协议

2.1 功能码

首先modbus协议对功能码做了严格的定义，有一些是功能码是公共功能码，具体如下所示：

公共功能码是modbus定义好的功能，不能进行修改，用户自定义的功能码只能是65-72和100-110的功能码段。

2.2 公共功能码

公共功能码主要功能如下所示：

可以看见数据访问有比特访问，16比特访问和文件记录访问,还能传文件，感觉挺有意思。

不过常用的功能码有：01 02 03 04 05 15 16

2.3 数据域格式

仅对功能码01进行说明，

PS:其实个人感觉安富莱老师的资料中写的非常好了，本文中仅对01进行说明，以便本文观看的连续性，更完整的内容建议读一下原文。

01H：读取线圈的状态

主机查询报文如下所示：

从机响应的值如下所示：
对应的线圈状态如下所示：

3 modbus从站程序设计

程序设计的流程图如下所示，下面的程序设计也按照下面的流程设计：

3.1 接口初始化

首先是程序接口使用的是RS485，因此需要的是初始化485的接口，用于接受和发送数据：

这部分代码的优势并不是很明显，个人只是感觉这一段的串口结构体写的非常好，可以看一下，具体使用的时候可以根据功能的收发进行裁剪。

先进行Bsp_uart_fifo.h重要代码说明

/*  串口485的配置 *//* RS485芯片发送使能GPIO, PB2 */
#define RCC_RS485_TXEN 	RCC_AHB1Periph_GPIOB
#define PORT_RS485_TXEN  GPIOB
#define PIN_RS485_TXEN	 GPIO_Pin_2#define RS485_RX_EN()	PORT_RS485_TXEN->BSRRH = PIN_RS485_TXEN
#define RS485_TX_EN()	PORT_RS485_TXEN->BSRRL = PIN_RS485_TXEN/* 串口3的基本参数 */
#if UART3_FIFO_EN == 1#define UART3_BAUD			9600#define UART3_TX_BUF_SIZE	1*1024#define UART3_RX_BUF_SIZE	1*1024
#endif/* 串口设备结构体,个人感觉安富莱这个结构体做的挺好的，所以在此提一下 */
typedef struct
{USART_TypeDef *uart;		/* STM32内部串口设备指针 */uint8_t *pTxBuf;			/* 发送缓冲区 */uint8_t * ;			/* 接收缓冲区 */uint16_t usTxBufSize;		/* 发送缓冲区大小 */uint16_t usRxBufSize;		/* 接收缓冲区大小 */__IO uint16_t usTxWrite;	/* 发送缓冲区写指针 */__IO uint16_t usTxRead;		/* 发送缓冲区读指针 */__IO uint16_t usTxCount;	/* 等待发送的数据个数 */__IO uint16_t usRxWrite;	/* 接收缓冲区写指针 */__IO uint16_t usRxRead;		/* 接收缓冲区读指针 */__IO uint16_t usRxCount;	/* 还未读取的新数据个数 */void (*SendBefor)(void); 	/* 开始发送之前的回调函数指针（主要用于RS485切换到发送模式） */void (*SendOver)(void); 	/* 发送完毕的回调函数指针（主要用于RS485将发送模式切换为接收模式） */void (*ReciveNew)(uint8_t _byte);	/* 串口收到数据的回调函数指针 */
}UART_T;

Bsp_uart_fifo.c重要代码说明:

1. 先进行发送和缓存区的全局变量声明

2. 发送指针和接收指针使用的是相对位置，是数组的索引值，所以写入的时候的时候采用的是以下的方法

   ch = USART_ReceiveData(_pUart->uart);
   _pUart->pRxBuf[_pUart->usRxWrite] = ch;
   if (++_pUart->usRxWrite >= _pUart->usRxBufSize)
   {_pUart->usRxWrite = 0;
   }
   if (_pUart->usRxCount < _pUart->usRxBufSize)
   {_pUart->usRxCount++;
   }
   

• 初始化代码，隐藏了硬件初始化，中断配置的代码，也没啥好说的，值得注意一点的是全局变量的初始化部分的代码吧

/*  先定义全局变量进行缓存区的定义 */
#if UART3_FIFO_EN == 1static UART_T g_tUart3;static uint8_t g_TxBuf3[UART3_TX_BUF_SIZE];		/* 发送缓冲区 */static uint8_t g_RxBuf3[UART3_RX_BUF_SIZE];		/* 接收缓冲区 */
#endifvoid bsp_InitUart(void)
{UartVarInit();		/* 必须先初始化全局变量,再配置硬件 */InitHardUart();		/* 配置串口的硬件参数(波特率等) */RS485_InitTXE();	/* 配置RS485芯片的发送使能硬件，配置为推挽输出 */ConfigUartNVIC();	/* 配置串口中断 */
}static void UartVarInit(void)
{
#if UART3_FIFO_EN == 1g_tUart3.uart = USART3;						/* STM32 串口设备 */g_tUart3.pTxBuf = g_TxBuf3;					/* 发送缓冲区指针 */g_tUart3.pRxBuf = g_RxBuf3;					/* 接收缓冲区指针 */g_tUart3.usTxBufSize = UART3_TX_BUF_SIZE;	/* 发送缓冲区大小 */g_tUart3.usRxBufSize = UART3_RX_BUF_SIZE;	/* 接收缓冲区大小 */g_tUart3.usTxWrite = 0;						/* 发送FIFO写索引 */g_tUart3.usTxRead = 0;						/* 发送FIFO读索引 */g_tUart3.usRxWrite = 0;						/* 接收FIFO写索引 */g_tUart3.usRxRead = 0;						/* 接收FIFO读索引 */g_tUart3.usRxCount = 0;						/* 接收到的新数据个数 */g_tUart3.usTxCount = 0;						/* 待发送的数据个数 */g_tUart3.SendBefor = RS485_SendBefor;		/* RS485发送数据前的回调函数 */g_tUart3.SendOver = RS485_SendOver;			/* RS485发送完毕后的回调函数 */g_tUart3.ReciveNew = RS485_ReciveNew;		/* RS485接收到新数据后的回调函数 */
#endif
}void RS485_SendBefor(void)
{RS485_TX_EN();	/* 切换RS485收发芯片为发送模式 */
}void RS485_SendOver(void)
{RS485_RX_EN();	/* 切换RS485收发芯片为接收模式 */
}void RS485_SendBuf(uint8_t *_ucaBuf, uint16_t _usLen)
{comSendBuf(COM3, _ucaBuf, _usLen);
}

/* 注意硬件配置的时候每个字符是11位的，配置不要出错 */
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_2;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;

• 重要的是接受的过程中写的过程

  1. 先写入数据
  2. 若数组的索引出现越界的情况记得要将索引清零

/*接收中断中调用RS485_ReciveNew*/
/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: UartIRQ
*	功能说明: 供中断服务程序调用，通用串口中断处理函数
*	形    参: _pUart : 串口设备
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void UartIRQ(UART_T *_pUart)
{/* 处理接收中断  */if (USART_GetITStatus(_pUart->uart, USART_IT_RXNE) != RESET){/* 从串口接收数据寄存器读取数据存放到接收FIFO */uint8_t ch;ch = USART_ReceiveData(_pUart->uart);_pUart->pRxBuf[_pUart->usRxWrite] = ch;if (++_pUart->usRxWrite >= _pUart->usRxBufSize){_pUart->usRxWrite = 0;}if (_pUart->usRxCount < _pUart->usRxBufSize){_pUart->usRxCount++;}/* 回调函数,通知应用程序收到新数据,一般是发送1个消息或者设置一个标记 *///if (_pUart->usRxWrite == _pUart->usRxRead)//if (_pUart->usRxCount == 1){if (_pUart->ReciveNew){_pUart->ReciveNew(ch);}}}
}

3.2 数据处理部分

查表法设置超时时间

首先设置表格，如下所示：

/*
Baud rate	Bit rate	 Bit time	 Character time	  3.5 character times2400	    2400 bits/s	  417 us	      4.6 ms	      16 ms4800	    4800 bits/s	  208 us	      2.3 ms	      8.0 ms9600	    9600 bits/s	  104 us	      1.2 ms	      4.0 ms19200	   19200 bits/s    52 us	      573 us	      2.0 ms38400	   38400 bits/s	   26 us	      286 us	      1.75 ms(1.0 ms)115200	   115200 bit/s	  8.7 us	       95 us	      1.75 ms(0.33 ms) 后面固定都为1750us
*/typedef struct
{uint32_t Bps;uint32_t usTimeOut;
}MODBUSBPS_T;const MODBUSBPS_T ModbusBaudRate[] =
{	{2400,	16000}, /* 波特率2400bps, 3.5字符延迟时间16000us */{4800,	 8000}, {9600,	 4000},{19200,	 2000},{38400,	 1750},{115200, 1750},{128000, 1750},{230400, 1750},
};

然后使用查表法获取超时t3.5时间

/* 根据波特率，获取需要延迟的时间 */
for(i = 0; i < (sizeof(ModbusBaudRate)/sizeof(ModbusBaudRate[0])); i++)
{if(SBAUD485 == ModbusBaudRate[i].Bps){break;}	
}

下面是完整的数据接收函数：

然后函数应该比较易懂，就是接收到消息之后，开启一次t3.5定时，然后将数据添加到RxBuf中。

若t3.5超时的话，可以设置一个标志位或者信号量，然后通知其他线程一帧的数据已经接收完毕：

static void MODS_RxTimeOut(void)
{g_mods_timeout = 1;
}

void MODS_ReciveNew(uint8_t _byte)
{/*3.5个字符的时间间隔，只是用在RTU模式下面，因为RTU模式没有开始符和结束符，两个数据包之间只能靠时间间隔来区分，Modbus定义在不同的波特率下，间隔时间是不一样的，详情看此C文件开头*/uint8_t i;/* 根据波特率，获取需要延迟的时间 */for(i = 0; i < (sizeof(ModbusBaudRate)/sizeof(ModbusBaudRate[0])); i++){if(SBAUD485 == ModbusBaudRate[i].Bps){break;}	}g_mods_timeout = 0;/* 硬件定时中断，定时精度us 硬件定时器1用于MODBUS从机, 定时器2用于MODBUS主机，如果超时的话会调用回调函数MODS_RxTimeOut*/bsp_StartHardTimer(1, ModbusBaudRate[i].usTimeOut, (void *)MODS_RxTimeOut);/* 将数据加入到RxBuf中 */if (g_tModS.RxCount < S_RX_BUF_SIZE){g_tModS.RxBuf[g_tModS.RxCount++] = _byte;}
}

3.2 主循环查询

主循环通过bsp_Idle查询t3.5的标志位（g_mods_timeout）是否超时，如果超时的话，证明一帧数据已经发送完成。

main.c中的程序：

int main()
{...while(1){...bsp_Idle(); /* Modbus解析在此函数里面 */...}
}

modbus_slave.c中MODS_Poll函数，主要好的点有以下的点：

1. 不对的命令直接return进行函数的结束

2. 巧用goto，如果接收错误的话直接通过指针进行恢复就行了

   void MODS_Poll(void)
   {uint16_t addr;uint16_t crc1;/* 超过3.5个字符时间后执行MODH_RxTimeOut()函数。全局变量 g_rtu_timeout = 1; 通知主程序开始解码 */if (g_mods_timeout == 0)	{return;								/* 没有超时，继续接收。不要清零 g_tModS.RxCount */}g_mods_timeout = 0;	 					/* 清标志 */if (g_tModS.RxCount < 4)				/* 接收到的数据小于4个字节就认为错误，地址（8bit）+指令（8bit）+操作寄存器（16bit） */{goto err_ret;}/* 计算CRC校验和，这里是将接收到的数据包含CRC16值一起做CRC16，结果是0，表示正确接收 */crc1 = CRC16_Modbus(g_tModS.RxBuf, g_tModS.RxCount);if (crc1 != 0){goto err_ret;}/* 站地址 (1字节） */addr = g_tModS.RxBuf[0];				/* 第1字节 站号 */if (addr != SADDR485)		 			/* 判断主机发送的命令地址（SADDR485）是否符合 */{goto err_ret;}/* 分析应用层协议 */MODS_AnalyzeApp();						err_ret:g_tModS.RxCount = 0;					/* 必须清零计数器，方便下次帧同步 */
   }
   

3.3 协议解析

承接前面的解析函数，进行数据分析；

可以看见MODS_AnalyzeApp中对于根据地址找到的相应的消息处理之后主要是两个函数：

static void MODS_AnalyzeApp(void)
{switch (g_tModS.RxBuf[1])				/* 第2个字节 功能码 */{case 0x01:							/* 读取线圈状态（此例程用led代替）*/MODS_01H();bsp_PutMsg(MSG_MODS_01H, 0);	/* 发送消息,主程序处理 */break;case 0x02:							/* 读取输入状态（按键状态）*/...case 0x03:							/* 读取保持寄存器（此例程存在g_tVar中）*/...		case 0x04:							/* 读取输入寄存器（ADC的值）*/...		case 0x05:							/* 强制单线圈（设置led）*/...		case 0x06:							/* 写单个保存寄存器*/ ...			case 0x10:							/* 写多个保存寄存器*/      ...		default:...}
}

MODS_01H

向上取整

num个bit需要多少个字节来储存数据，感觉这个方法很巧妙

m = (num + 7) / 8;

按位记录数据

for (i = 0; i < num; i++)
{if (bsp_IsLedOn(i + 1 + reg - REG_D01))		/* 读LED的状态，写入状态寄存器的每一位 */{  status[i / 8] |= (1 << (i % 8));}
}

错误消息处理

static void MODS_SendAckErr(uint8_t _ucErrCode)
{uint8_t txbuf[3];txbuf[0] = g_tModS.RxBuf[0];					/* 485地址 */txbuf[1] = g_tModS.RxBuf[1] | 0x80;				/* 异常的功能码,最高位置1 */txbuf[2] = _ucErrCode;							/* 错误代码(01,02,03,04) */MODS_SendWithCRC(txbuf, 3);
}

CRC校验

这个也是根据查表法获取的CRC校验码，网上资源较多，不进行展示了。

static void MODS_01H(void)
{/*举例：主机发送:11 从机地址01 功能码00 寄存器起始地址高字节13 寄存器起始地址低字节00 寄存器数量高字节25 寄存器数量低字节0E CRC校验高字节84 CRC校验低字节从机应答: 	1代表ON，0代表OFF。若返回的线圈数不为8的倍数，则在最后数据字节未尾使用0代替. BIT0对应第1个11 从机地址01 功能码05 返回字节数CD 数据1(线圈0013H-线圈001AH)6B 数据2(线圈001BH-线圈0022H)B2 数据3(线圈0023H-线圈002AH)0E 数据4(线圈0032H-线圈002BH)1B 数据5(线圈0037H-线圈0033H)45 CRC校验高字节E6 CRC校验低字节例子:01 01 10 01 00 03   29 0B	--- 查询D01开始的3个继电器状态01 01 10 03 00 01   09 0A   --- 查询D03继电器的状态*/uint16_t reg;uint16_t num;uint16_t i;uint16_t m;uint8_t status[10];g_tModS.RspCode = RSP_OK;/* 没有外部继电器，直接应答错误 */if (g_tModS.RxCount != 8){g_tModS.RspCode = RSP_ERR_VALUE;				/* 数据值域错误 */return;}reg = BEBufToUint16(&g_tModS.RxBuf[2]); 			/* 寄存器号 */num = BEBufToUint16(&g_tModS.RxBuf[4]);				/* 寄存器个数 */m = (num + 7) / 8;if ((reg >= REG_D01) && (num > 0) && (reg + num <= REG_DXX + 1)){for (i = 0; i < m; i++){status[i] = 0;}for (i = 0; i < num; i++){if (bsp_IsLedOn(i + 1 + reg - REG_D01))		/* 读LED的状态，写入状态寄存器的每一位 */{  status[i / 8] |= (1 << (i % 8));}}}else{g_tModS.RspCode = RSP_ERR_REG_ADDR;				/* 寄存器地址错误 */}if (g_tModS.RspCode == RSP_OK)						/* 正确应答 */{g_tModS.TxCount = 0;g_tModS.TxBuf[g_tModS.TxCount++] = g_tModS.RxBuf[0];g_tModS.TxBuf[g_tModS.TxCount++] = g_tModS.RxBuf[1];g_tModS.TxBuf[g_tModS.TxCount++] = m;			/* 返回字节数 */for (i = 0; i < m; i++){g_tModS.TxBuf[g_tModS.TxCount++] = status[i];	/* 继电器状态 */}MODS_SendWithCRC(g_tModS.TxBuf, g_tModS.TxCount);}else{MODS_SendAckErr(g_tModS.RspCode);				/* 告诉主机命令错误 */}
}

bsp_PutMsg 双指针环状消息队列

这个函数本身在本项目中作用不大，仅仅是记录一下接收到的消息ID，但是本节所涉及到的双指针环状消息队列的设计和使用比较有意思，展示如下：

先是bsp.h中定义一些基本的量

#define MSG_FIFO_SIZE    40	   		/* 消息个数 */enum 
{MSG_NONE = 0,MSG_MODS_01H,MSG_MODS_02H,MSG_MODS_03H,MSG_MODS_04H,MSG_MODS_05H,MSG_MODS_06H,MSG_MODS_10H,
};/* 按键FIFO用到变量 */
typedef struct
{uint16_t MsgCode;		/* 消息代码 */uint32_t MsgParam;		/* 消息的数据体, 也可以是指针（强制转化） */
}MSG_T;/* 变量 */
typedef struct
{MSG_T Buf[MSG_FIFO_SIZE];	/* 消息缓冲区 */uint8_t Read;					/* 缓冲区读指针1 */uint8_t Write;					/* 缓冲区写指针，是个数buf的个数 */uint8_t Read2;					/* 缓冲区读指针2 */
}MSG_FIFO_T;

然后bsp.c中定义一些常用的操作:

• 感觉下边的写入挺有意思的，可以参考：

g_tMsg.Buf[g_tMsg.Write].MsgCode = _MsgCode;

• 读取的时候采用的指针，一定要先初始化，然后使用，避免野指针的产生

  MSG_T *p;
  ...
  p = &g_tMsg.Buf[g_tMsg.Read];
  ..
  p = &g_tMsg.Buf[g_tMsg.Read];if (++g_tMsg.Read >= MSG_FIFO_SIZE)
  {g_tMsg.Read = 0;
  }

/*
*	功能说明: 将1个消息压入消息FIFO缓冲区。
*/
void bsp_PutMsg(uint16_t _MsgCode, uint32_t _MsgParam)
{g_tMsg.Buf[g_tMsg.Write].MsgCode = _MsgCode;   //压栈进来的结构体消息代码g_tMsg.Buf[g_tMsg.Write].MsgParam = _MsgParam;if (++g_tMsg.Write  >= MSG_FIFO_SIZE){g_tMsg.Write = 0;}
}/*
*	功能说明: 从消息FIFO缓冲区读取一个键值。
*/
uint8_t bsp_GetMsg(MSG_T *_pMsg)
{MSG_T *p;//注意只有等于符号，没有大小的关系if (g_tMsg.Read == g_tMsg.Write){return 0;}else{p = &g_tMsg.Buf[g_tMsg.Read];if (++g_tMsg.Read >= MSG_FIFO_SIZE){g_tMsg.Read = 0;}_pMsg->MsgCode = p->MsgCode;_pMsg->MsgParam = p->MsgParam;return 1;}
}/*
*	功能说明: 从消息FIFO缓冲区读取一个键值。使用第2个读指针。可以2个进程同时访问消息区。
*/
uint8_t bsp_GetMsg2(MSG_T *_pMsg)
{MSG_T *p;if (g_tMsg.Read2 == g_tMsg.Write){return 0;}else{p = &g_tMsg.Buf[g_tMsg.Read2];if (++g_tMsg.Read2 >= MSG_FIFO_SIZE){g_tMsg.Read2 = 0;}_pMsg->MsgCode = p->MsgCode;_pMsg->MsgParam = p->MsgParam;return 1;}
}/*
*	功能说明: 清空消息FIFO缓冲区
*/
void bsp_ClearMsg(void)
{g_tMsg.Read = g_tMsg.Write;
}