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利用STM32实现Modbus通信（RTU从机方案）

news 2026/6/2 0:27:46

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

graph TDA[主机（Modbus RTU）] --RS485--> B[STM32 USART1]B --数据接收--> C[FreeModbus协议栈]C --解析请求--> D[寄存器管理（保持寄存器/线圈）]D --返回响应--> CC --数据发送--> BB --RS485--> AE[TIM2] --3.5T超时中断--> C

3.2 核心原理

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。
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Modbuswhile (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/contentcns/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）。