STM32开发（六）STM32F103 通信 —— RS485 Modbus通信编程详解

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一、基础知识点

了解 RS485 Modbus协议技术 。本实验是基于STM32F103开发 实现 通过RS-485实现modbus协议。

准备好了吗？开始我的show time。

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二、开发环境

1、硬件开发准备
主控：STM32F103ZET6
RS485收发器：SP3485P

2、软件开发准备
软件开发使用虚拟机 + VScode + STM32Cube 开发STM32，在虚拟机中直接完成编译下载。
该部分可参考：软件开发环境构建

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三、STM32CubeMX相关配置

1、STM32CubeMX基本配置

本实验基于CubeMX详解构建基本框架 进行开发。

2、STM32CubeMX RS485 相关配置

(1)发送接收控制脚配置（GPIO配置）

gpio输出电平： 低（控制引脚默认低电平，芯片处于读状态）
gpio模式： 推挽输出
gpio上下拉设置： 不上下拉
gpio输出速度： 低速
gpio命名： RS485_DE_nRE （与硬件标识一致，便于代码编写）

（2）串口UART3配置

根据硬件引脚连接，RS485芯片连接UART3通信

基本配置： 实验波特率采用9600、数据位8bit、无奇偶校验、停止位1bit
数据方向： 接收发送

DMA配置： Add添加发送和接收的DMA，DMA参数保持默认状态

（3）中断配置

实验中接收数据采用空闲触发；发送数据采用DMA发送触发后发送完成中断
UART3总中断（USART3 global interrupt）必须打开（为了发送完成中断实现）
UART_RX (DMA1 channel3 global interrupt) DMA接收中断不打开，取消对钩（这里对钩无法改变，后续解决）
UART_TX (DMA1 channel2 global interrupt) DMA发送中断打开。

进行NVIC中断等级配置（0等级最高）
上述讲到无法取消DMA接收中断，原因是选中了强制DMA中断（右上角蓝色框，取消对钩就ok）

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四、Vscode代码讲解

1、初始化相关中断

#ifdef STM32_F407_RS485_Modbus
    printf("----DWB   此程序通过RS-485实现modbus协议----\r\n");

    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart3, UART_IT_IDLE);        // 使能串口3空闲中断
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, UART3.pucRec_Buffer, UART3_Rec_LENGTH);
#endif

2、RS485 结构体 以及函数实现

typedef struct 
{
  uint8_t* pucSend_Buffer;     //发送缓存指针  
  uint8_t* pucRec_Buffer;     //接收缓存指针 

  void (*SendArray)(uint8_t*, uint16_t);    //串口发送数组
  void (*SendString)(uint8_t*);             //串口发送字符串

  void (*RS485_Set_SendMode)(void);  //RS-485接口设置为发送模式
  void (*RS485_Set_RecMode)(void);   //RS-485接口设置为接收模式
 
  /* data */
} UART_t;

// 串口发数组
static void SendArray(uint8_t* p_Arr,uint16_t LEN) 
{
  UART3.RS485_Set_SendMode(); 
  HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3,p_Arr,LEN);
}

// RS485接口设置发送模式
static void RS485_Set_SendMode()
{
  HAL_GPIO_WritePin(RS485_DE_nRE_GPIO_Port, RS485_DE_nRE_Pin,,GPIO_PIN_SET);
}

// RS485接口设置接收模式
static void RS485_Set_RecMode()
{
  HAL_GPIO_WritePin(RS485_DE_nRE_GPIO_Port, RS485_DE_nRE_Pin,,GPIO_PIN_RESET);
}

3、RS485 Modbus发送
重构接收回调函数（整个DMA发送过程后面有讲解）

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  if(huart->Instance == huart3.Instance)
  {
    UART3.RS485_Set_RecMode();
  }
}

4、RS485 Modbus接收
接收使用空闲中断 ，在串口总中断中添加空闲中断检测。

void USART3_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART3_IRQn 0 */
  if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart3, UART_FLAG_IDLE))      // 判断空闲中断标志位
  {
    __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart3);                 // 1、清除中断标志位
    HAL_UART_IdleCallback(&huart3);                     // 2、空闲中断回调函数
  }
  /* USER CODE END USART3_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart3);
  /* USER CODE BEGIN USART3_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART3_IRQn 1 */
}

在 Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc/stm32f1xx_hal_uart.h 文件中回调函数并没有串口空闲中断回调函数

重构空闲中断回调函数

void HAL_UART_IdleCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if(huart->Instance == huart3.Instance)
  {
    Modbus.Protocol_Analysis(&UART3);                                        // 接收数据解析
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, UART3.pucRec_Buffer, UART3_Rec_LENGTH);    // 重新开启接收DMA（在数据解析中会暂时关闭接收DMA）
  }
}

5、Modbus 收发数据详解

（1）Modbus结构体

typedef struct 
{
  uint16_t addr;

  void (*Protocol_Analysis)(UART_t*);  

} Modbus_t;

（2）Modbus接收数据整体框架

#define UART_Order_Index 8
#define FunctionCode_Read_Register 0x03
#define FunctionCode_Write_Register 0x06
#define UART3_Send_LENGTH  20
#define UART3_Rec_LENGTH   20

static void Protocol_Analysis(UART_t* UART)
{
  UART_t* const COM_UART = UART;
  uint8_t i = 0, Index = 0;

  // 1、关闭接收
  HAL_UART_AbortReceive(&huart3);

  // 2、整理接收数据
  for(i=0; i<UART3_Rec_LENGTH; i++)
  {
    if(Index == 0)
    {
        if(*(COM_UART->pucRec_Buffer+i) != Modbus.addr)
        continue;
    }

    *(COM_UART->pucRec_Buffer + Index) = *(COM_UART->pucRec_Buffer + i);
    // 取7字节
    if(Index == UART_Order_Index) 
      break;        
     
    Index++;
  }

    // 4、校验码
    CRC_16.CRC_Value = CRC_16.CRC_Check(COM_UART->pucRec_Buffer, 6);
    CRC_16.CRC_H = (u_int8_t)(CRC_16.CRC_Value >> 8);
    CRC_16.CRC_L = (u_int8_t)CRC_16.CRC_Value;

    if(((*(COM_UART->pucRec_Buffer+6) == CRC_16.CRC_L) && (*(COM_UART->pucRec_Buffer+7) == CRC_16.CRC_H))
                                                                                                ||
       ((*(COM_UART->pucRec_Buffer+6) == CRC_16.CRC_H) && (*(COM_UART->pucRec_Buffer+7) == CRC_16.CRC_L)))
    {
            //校验地址
            if((*(COM_UART->pucRec_Buffer+0)) == Modbus.addr)
            {
            // 5、数据处理
                if((*(COM_UART->pucRec_Buffer+1)) == FunctionCode_Read_Register)
                {
                    Modbus_Read_Register(COM_UART);
                }
                else if((*(COM_UART->pucRec_Buffer+1)) == FunctionCode_Write_Register)
                {
                    Modbus_Wrtie_Register(COM_UART);
                }   
            }
        }
    
    //清缓存
    for(i=0;i<UART3_Rec_LENGTH;i++)
    {
        *(COM_UART->pucRec_Buffer+i) = 0x00;
    }
}

Modbus_Read_Register函数数据解析（协议数据：地址码+功能码+数据长度(字节)+发送数据+CRC）连续读取从设备寄存器值返回给主设备。

static void Modbus_Read_Register(UART_t* UART)
{
  UART_t* const COM_UART = UART;
    
    //校验地址
    if((*(COM_UART->pucRec_Buffer+2) == 0x9C) && (*(COM_UART->pucRec_Buffer+3) == 0x41))
    {
        回应数据
        //地址码
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+0)  = Modbus.addr;
        //功能码
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+1)  = FunctionCode_Read_Register;
        //数据长度(字节)
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+2)  = 2;
        //发送数据
        // deep status
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+3)  = 0;
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+4) = Deep.Read_Deep();
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+5)  = 0;
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+6) = 0x66;
        
        //插入CRC
        CRC_16.CRC_Value = CRC_16.CRC_Check(COM_UART->pucSend_Buffer,7); //计算CRC值
        CRC_16.CRC_H     = (uint8_t)(CRC_16.CRC_Value >> 8);
        CRC_16.CRC_L     = (uint8_t)CRC_16.CRC_Value;
        
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+7) = CRC_16.CRC_L;
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+8) = CRC_16.CRC_H;

        //发送数据
        UART3.SendArray(COM_UART->pucSend_Buffer,9);
    }
}

Modbus_Wrtie_Register函数数据解析。从主设备获取控制从设备外设的数值，解析后控制外设。

static void Modbus_Wrtie_Register(UART_t* UART)
{
    UART_t* const COM_UART = UART;
    uint8_t i=0;
    
    //回应数据
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        *(COM_UART->pucSend_Buffer+i) = *(COM_UART->pucRec_Buffer+i);
    }
    //发送数据
    UART3.SendArray(COM_UART->pucSend_Buffer,8);

    //解析数据，控制外设
    if((*(COM_UART->pucRec_Buffer+2) == 0x9C) && (*(COM_UART->pucRec_Buffer+3) == 0x42))
    {
        if(*(COM_UART->pucRec_Buffer+5) == Deep_Status_ON )
            Deep.Deep_Enable();
        else
            Deep.Deep_Disable();
    }
}

为什么要使能DMA发送完成中断才会触发UART的发送完成中断？
答案就在代码里，带大家解析一遍相关代码：

// 调用HAL_UART_Transmit_DMA函数实现DMA发送
HAL_UART_Transmit_DMA
    -> huart->hdmatx->XferCpltCallback = UART_DMATransmitCplt;   // 设置发送完成回调函数

static void UART_DMATransmitCplt(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{
  UART_HandleTypeDef *huart = (UART_HandleTypeDef *)((DMA_HandleTypeDef *)hdma)->Parent;
  /* DMA Normal mode*/
  if ((hdma->Instance->CCR & DMA_CCR_CIRC) == 0U)
  {
    huart->TxXferCount = 0x00U;

    /* Disable the DMA transfer for transmit request by setting the DMAT bit
       in the UART CR3 register */
    CLEAR_BIT(huart->Instance->CR3, USART_CR3_DMAT);

    /* Enable the UART Transmit Complete Interrupt */
    SET_BIT(huart->Instance->CR1, USART_CR1_TCIE);            // 当DMA发送完成后，会使能串口发送完成中断

  }
  /* DMA Circular mode */
  else
  {
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
    /*Call registered Tx complete callback*/
    huart->TxCpltCallback(huart);
#else
    /*Call legacy weak Tx complete callback*/
    HAL_UART_TxCpltCallback(huart);
#endif /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */
  }
}

当DMA发送完成后，会使能串口发送完成中断。配置打开UART3中断总开关。

HAL_UART_IRQHandler
    -> if (((isrflags & USART_SR_TC) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_TCIE) != RESET))
    -> UART_EndTransmit_IT(huart);
        -> HAL_UART_TxCpltCallback(huart);      // 回调函数为弱函数，可重构

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五、结果演示以及报文解析

实验测试使用USB转RS485工具。从设备板子上A B接口连接USB转RS485工具上对应A B接口。主设备为PC端安装的MThings进行Modbus收发数据测试。有兴趣的小伙伴可以体验下MTings官网

发送数据报文解析

[2023-03-05 13:13:03-802]COM34-发送：01 06 9c 42 00 01 c6 4e
[2023-03-05 13:13:03-827]COM34-接收：01 06 9c 42 00 01 c6 4e
0x01：主机要查询的从设备地址
0x06：功能码 修改写操作
0x9c 0x42：寄存器地址0x9c42转十进制地址为40,002
0x00 0x01：写入地址的数值为0x01 （控制从设备蜂鸣器打开）
0xc6 0x4e：CRC校验码

[2023-03-05 13:13:04-980]COM34-发送：01 06 9c 42 00 00 07 8e
[2023-03-05 13:13:05-012]COM34-接收：01 06 9c 42 00 00 07 8e
0x01：主机要查询的从设备地址
0x06：功能码 修改写操作
0x9c 0x42：寄存器地址0x9c42转十进制地址为40,002
0x00 0x01：写入地址的数值为0x00 （控制从设备蜂鸣器关闭）
0xc6 0x4e：CRC校验码

接收数据报文解析

[2023-03-05 13:41:54-954]COM34-发送：01 06 9c 42 00 01 c6 4e
[2023-03-05 13:41:54-977]COM34-接收：01 06 9c 42 00 01 c6 4e
0x01：从设备地址
0x06：功能码 修改写操作
0x9c 0x42：寄存器地址0x9c42转十进制地址为40,002
0x00 0x01：写入地址的数值为0x00 （控制从设备蜂鸣器关闭）
0xc6 0x4e：CRC校验码

[2023-03-05 13:41:56-289]COM34-发送：01 03 9c 41 00 02 ba 4f
0x01：主机要查询的从设备地址
0x03：功能码 查询读操作
0x9c 0x42：寄存器地址0x9c41转十进制地址为40,001
0x00 0x02：读取两个数据（一个数据2字节）
0xba 0x4f：CRC校验码

[2023-03-05 13:41:56-320]COM34-接收：01 03 02 00 01 00 66 d9 a3
0x01：告诉主机自己从设备地址
0x03：功能码 读操作
0x00 0x01：读出第一个数据为0x01，当前蜂鸣器打开状态
0x00 0x66：读取第二个数据为0x66（该值是本猿在代码中写死的值，后续功能会结合本章节modbus功能通信，敬请期待）
0xd9 0xa3：CRC校验码