ModBus-RTU通讯协议编程
编者说：
ModBus通信协议结构简单，编程方便，在工业应用现场被广泛使用，特别是PLC应用场合。需要指出的是，ModBus只是一种通信协议，即设备之间的数据约束方式，使用时需要有底层的驱动程序支持，例如，串口通讯。串口通信使用简单，在ModBus协议中应用广泛。在信号的传输方式上又分为RS-232通信，RS-485通信，这种区分只是在数据的传输方式方作划分，底层的驱动程序完全一样。需要长距离、长距离、可靠性高的传输方式时，我们就选择RS-485通信，需要短距离、高速率通信时，我们就用RS-232通信。
这篇博客主要讲述ModBus-RTU通信协议的编程方法，实现时采用串口通信，RS-232的传输方式，采用的单片机为TMS320F280049C。
（1）ModBus通信协议简介
Modbus协议可以说是工业自动化领域应用最为广泛的通讯协议，因为他的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。有了它，不同厂商的产品可以简单可靠的接入网络，实现系统的集中监控，分散控制功能。
目前Modbus规约主要使用的是ASCII, RTU, TCP等，并没有规定物理层。目前Modbus常用的接口形式主要有RS-232C，RS485，RS422，也有使用RJ45接口的，ModBus的ASCII, RTU协议则在此基础上规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式。ModBus数据通信采用Master/Slave方式（主/从），即Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。
Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。
（2）ModBus信息帧结构
当设备之间进行通信时，都是以信息帧的结构进行数据之间的传送。信息帧即数据的组成方式，一个信息帧由多位字节数据组成，具体格式如下所示（这里主要讲述RTU格式的信息帧）：
| 开始 | 设备地址 | 功能码 | 数据位 | 校验位 | 终止 |
| T1-T2-T3-T4 | 8bit | 8bit | N * 8bit | 16bit | T1-T2-T3-T4 |
RTU模式中，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间(如下图中的T1-T2-T3-T4)。接着，第一个区的数据为设备地址。
设备地址：当与主机进行通信的设备有多个时，主机通过设备地址号来选择与哪个设备进行通信。设备地址号为1字节。
功能码：当主机与从机通信时，主机通过功能码来选择对从机进行什么操作。部分功能码列出如下表所示，详细的功能码列表请查阅相关资料。功能码数据长度为1字节
| 功能码 | 名称 | 作用 |
| 0x03 | 读取保持寄存器 | 读取保持寄存器数据 |
| 0x06 | 预置单寄存器 | 将数据写入到某寄存器 |
数据位：要传送的具体数据，由多个字节组成。
校验位：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。错误校验采用CRC-16校验方法。CRC校验的算法后边讲解。
（3）ModBus功能码详解
1. 0x03号命令，读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：
主机发送命令格式：
| 设备号 | 功能码 | 起始寄存器地址高八位 | 起始寄存器地址低八位 | 读取数高八位 | 读取数低八位 | CRC H | CRC L |
例：【01】【03】【00】【12】【00】【03】【CRC高】【CRC低】
1）设备地址即为0x01。
2）功能码0x03。
3）0x00 0x12，要读取寄存器的高八位地址和低八位地址。
4）0x00 0x03，读取寄存器的数量，此处为读取3个寄存器。
5）CRC H，CRC L。
从机响应格式：
| 设备号 | 功能码 | 返回字节个数 | 数据1 | .... | 数据N | CRC H | CRC L |
例：【01】【03】【03】【12】【01】【03】【CRC高】【CRC低】
1）设备地址即为0x01。
2）功能码0x03，功能为读取保持寄存器值。
3）0x03，要返回的数据数量，此处为3。
4）0x12 0x01 0x03，返回的数据。
5）CRC H，CRC L。
2. 0x06号命令，写单个模拟量寄存器（预置寄存器）：
主机发送命令格式：
| 设备号 | 功能码 | 预置寄存器地址高八位 | 预置寄存器地址低八位 | 预置数据高八位 | 预置数据低八位 | CRC H | CRC L |
例：【01】【06】【00】【01】【00】【03】【CRC高】【CRC低】
1）设备地址即为0x01。
2）功能码0x06，预置单个模拟量寄存器。
3）0x00 0x01，要预置的寄存器的高八位地址和低八位地址。
4）0x00 0x03，预置的数据，此处为一个16bit的数据。
5）CRC H，CRC L。
从机响应格式：
如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。
（4）串口通信程序配置
串口通信程序即为ModBus协议的物理层代码。串口发送程序时，每次发送的数据量为1个字节，发送方式为9600，N，8，1。对应的DSP TMS320F280049C的串口配置程序如下所示：
1）接收RX和发送TX引脚配置程序
void SCI_GPIO_Init(void)
{
EALLOW;
GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO11 = 0; //配置为输入
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO11 = 1; //配置为推挽输出
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO11 = 2; //配置SCI-GPIO作为使用
GpioCtrlRegs.GPAGMUX1.bit.GPIO11 = 0x01;
GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO12 = 1; //配置为输出
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO12 = 1; //配置为推挽输出
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO12 = 2; //配置SCI-GPIO作为使用
GpioCtrlRegs.GPAGMUX1.bit.GPIO12 = 0x01;
EDIS;
}2）串口外设配置程序
void InitSCI(void)
{
SCI_GPIO_Init();
// ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFIENA = 1; //接收FIFO中断使能
// ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFIL = 1; //接收FIFO深度
// ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFINTCLR = 1; //接收FIFO中断清零
// ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFIFORESET = 1; //复位FIFO
ScibRegs.SCICCR.all = 0x0007; // 1 stop bit, No loopback
// No parity, 8 char bits,
// async mode, idle-line protocol
ScibRegs.SCICTL1.bit.RXENA = 1;
ScibRegs.SCICTL1.bit.TXENA = 1;
ScibRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA = 1; //接收中断使能
//
// SCIA at 9600 baud
// @LSPCLK = 25 MHz (100 MHz SYSCLK) HBAUD = 0x01 and LBAUD = 0x44.
//
ScibRegs.SCIHBAUD.all = 0x0001;
ScibRegs.SCILBAUD.all = 0x0044;
ScibRegs.SCICTL1.all = 0x0023; // Relinquish SCI from Reset
}（5）ModBus协议层程序配置
ModBus协议层程序主要是进行数据的处理，处理方式主要按照协议的要求来配置。此博客所写的协议为ModBus-RTU协议。
1）数据的接收处理
数据的接收主要采用中断的方式，使用的是串口的接收中断。串口中断是逐字节进行数据接收的，而设备之间每次通信是多字节的，因此，在每次接收设备传来的数据时，需要设置定时器计数，以保证每次接收数据的完整性。数据接收部分的代码如下所示：
__interrupt void SCIbISR(void)
{
PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx1 = 0; //关闭ADC中断
if(Rx_Stop_Flag == 0)
{
CpuCounter = CpuTimer0.RegsAddr->TIM.all; //读取定时器0的计数值
CpuTimer0.RegsAddr->TCR.bit.TSS = 0; //开启定时器计数
}
ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFINTCLR = 1; //接收FIFO中断清零
unsigned char res = ScibRegs.SCIRXBUF.bit.SAR;
if((CpuCounter>=50000000)&&(Rx_Stop_Flag == 0)) //500mS
{
Rx_Stop_Flag = 0;
RS232_RXBuf[RS232_RXCount++] = res;
}
else
{
CpuTimer0.RegsAddr->TCR.bit.TSS = 1; //停止定时器计数
CpuTimer0.RegsAddr->TIM.all = CpuTimer0.RegsAddr->PRD.all; //重装载计数器
Rx_Stop_Flag = 1; //标志置一，停止接收数据
GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO33 = 1;
}
PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK9 = 1;
PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx1 = 1;
}程序中Rx_Stop_Flag为数据接收标志，一次数据接收完成后，此标志会置1。下一步，程序会按照该标志是否置1来进行ModBus-RTU程序的执行。
2）协议层程序的处理
如果Rx_Stop_Flag标志置1。程序会进行数据处理，此部分的程序为ModBus协议层的程序。协议层部分代码如下所示：
if(Rx_Stop_Flag)
{
PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx1 = 0; //关闭ADC中断
if(RS232_RXBuf[0] == RS232_addr) //地址码判断
{
CRC_Cal = CRC16(RS232_RXBuf,RS232_RXCount-2); //根据接收到的数据计算得到的CRC
RX_CRC = RS232_RXBuf[RS232_RXCount-1]|(((Uint16)RS232_RXBuf[RS232_RXCount-2])<<8); //接收数据最后两位的CRC
if(CRC_Cal == RX_CRC) //CRC检验正确
{
switch(RS232_RXBuf[1])
{
case 0x03: //功能码0x03
{
ModBus_Solve_03();
break;
}
case 0x06: //功能码0x06
{
ModBus_Solve_06();
break;
}
}
}
else //CRC校验出错
{
}
}
RS232_RXCount=0; //接收计数清零
Rx_Stop_Flag=0; //停止接收标志清零
PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx1 = 1; //开启ADC中断
}协议层代码执行流程如下所述：
- 根据接收数据的第一位来判断设备地址是否匹配。
- 进行CRC校验，判断数据通信是否出错
- 根据接收数据的第二位（功能码）来确定要执行的操作。0x03 or 0x06。
- 根据相应的功能码来执行相应的处理函数。
3）功能函数代码的编写
此部分的代码主要根据功能码由设备执行相应的功能。例如，0x03要求设备返回一些数据（返回当前电压、电流等），0x06要求设备执行一些操作（继电器动作，输出电压、电流的调整等）。
0x03功能码处理函数如下：
void ModBus_Solve_03(void) //上位机读取指令
{
Uint16 RX_Number;
Uint16 RX_Command;
Uint16 i;
RX_Command = ((Uint16)RS232_RXBuf[2]<<8)|RS232_RXBuf[3]; //要读取寄存器的地址
RX_Number = ((Uint16)RS232_RXBuf[4]<<8)|RS232_RXBuf[5]; //读取字节个数
// RS232_TXBuf[0] = RS232_RXBuf[0]; //地址码
// RS232_TXBuf[1] = RS232_RXBuf[1]; //功能码
// RS232_TXBuf[2] = RS232_RXBuf[2]; //寄存器地址高位
// RS232_TXBuf[3] = RS232_RXBuf[3]; //寄存器地址低位
// RS232_TXBuf[4] = RS232_RXBuf[4]; //读取字节个数 高位
// RS232_TXBuf[5] = RS232_RXBuf[5]; //读取字节个数 低位
RS232_TXBuf[0] = RS232_RXBuf[0]; //地址码
RS232_TXBuf[1] = RS232_RXBuf[1]; //功能码
RS232_TXBuf[2] = RX_Number; //返回字节个数为2
for(i=0;i>8)&0xFF;
RS232_TXBuf[4+i] = (CRC_Cal)&0xFF;
RS232_SendBuf(RS232_TXBuf,5+i);
} 0x06功能码处理函数如下：
void ModBus_Solve_06(void) //上位机写入指令 ModBus--预置单寄存器 [地址码] [功能码] [寄存器高位地址] [寄存器低位地址] [高八位数据] [低八位数据] [CRC H] [CRC L]
{
Uint16 RX_Command;
RX_Command = ((Uint16)RS232_RXBuf[2]<<8)|RS232_RXBuf[3];
switch(RX_Command)
{
case 0x0001: //设置Buck电压
{
break;
}
case 0x0002: //继电器切换
{
break;
}
case 0x0003: //Buck输出禁止
{
break;
}
case 0x0004: //输出双脉冲
{
break;
}
case 0x0005: //IGBT PWM信号禁止
{
break;
}
case 0x0006: //
{
break;
}
}
RS232_TXBuf[0] = RS232_RXBuf[0];
RS232_TXBuf[1] = RS232_RXBuf[1];
RS232_TXBuf[2] = RS232_RXBuf[2];
RS232_TXBuf[3] = RS232_RXBuf[3];
RS232_TXBuf[4] = RS232_RXBuf[4];
RS232_TXBuf[5] = RS232_RXBuf[5];
Uint16 CRC_Cal = CRC16(RS232_TXBuf,6);
RS232_TXBuf[6] = (CRC_Cal>>8)&0xFF;
RS232_TXBuf[7] = (CRC_Cal)&0xFF;
RS232_SendBuf(RS232_TXBuf,8);
}4）CRC校验函数的编写
CRC校验的原理为：当从机发送数据时，从机会根据发送的数据，采用CRC校验算法计算出一个16bit的数据，CRC_H、CRC_H，然后从机设备会将16位的CRC数据附带在要发送的数据后边，将此数据作为一个数据帧发送给主机。主机接收到数据后，将CRC数据位前面的数据采用相同的CRC校验算法进行计算，将计算得到的16bit的数据与接收到的CRC位的数据作比较，比较结果一致即为数据传输正确，否则，数据传输失败。
CRC校验算法为：
unsigned short CRC16(unsigned char *puchMsg, unsigned short usDataLen) //puchMsg ; /* 要进行CRC校验的消息 //usDataLen ; /* 消息中字节数 */
{
unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* 高CRC字节初始化 */
unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* 低CRC 字节初始化 */
unsigned uIndex ; /* CRC循环中的索引 */
while (usDataLen--) /* 传输消息缓冲区 */
{
uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsg++ ; /* 计算CRC */
uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex];
uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex];
}
return ((uchCRCHi << 8) | uchCRCLo);
}完整的实验代码我已上传到CSDN，需要的可自行下载哈，下载链接如下所示：
https://download.csdn.net/download/fanxianyan1993/12058062
提问方式：以上程序有啥不懂的可以随时向我提问哈，用微信扫描下方二维码我会在第一时间给大家回复的，谢谢。
