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<RX_Number;i++)
    {
        RS232_TXBuf[3+i] = i;    //返回寄存器值
    }

    Uint16 CRC_Cal = CRC16(RS232_TXBuf,3+i);

    RS232_TXBuf[3+i] = (CRC_Cal>>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。

ModBus-RTU通讯协议编程

ModBus-RTU通讯协议编程

编者说：

（1）ModBus通信协议简介

（2）ModBus信息帧结构

（3）ModBus功能码详解

（4）串口通信程序配置

（5）ModBus协议层程序配置

继续阅读

Android基于Modbus RTU协议通过蓝牙与蓝牙串口开发板通信前言实现原理在Android上实现Modbus RTU Master在Android上实现用蓝牙传递Modbus Rtu协议帧字节数组转换为 16 进制字符串的方法最终效果

C64X DSP EDMA小结及实例详解

ADI 的codec和DSP的数据传输ADI 的codec和DSP的数据传输

电池巡检单元通用型4节电池电压和温度监测:☞4节电池的电压监测、4路电池的温度监测、1路继电器输出、CAN-BUS级联通

STM32 printf重定向（串口输出）

软件设计开发笔记3：基于QT的Modbus RTU主站

C#上位机与施耐德PLC通讯

Modbus-Master-Slave-STM32-HAL-FreeRTOS

暑期实践------嵌入式串口屏项目什么是串口通信?串口与并口的区别经验总结

--串口通讯方法（WINAPI实现）(

modbus通信协议中的功能码、异常功能码和错误码

51单片机学习笔记（郭天祥版）（7）——串行通信

符晓《TMS320F28335DSP原理、开发及应用》2017版

TMS320C6455二维FFT和IFFT实现FFT原理简介DSPLib配置图像数据生成DSPLib中的FFT和IFFT二维FFT和IFFT实现图像分析工具（Image Analyzer）测试结果相关资源链接

串口/COM口、USB、RS232、RS422、RS485的区别串口/COM口、USBRS232、RS422、RS485

STM32-UART串口通信STM32-UART串口通信