基于STM32的FreeModbus從站協議移植

胡雙喜

摘 要：FreeModbus是一種Modbus協議的實現方式，能夠方便的移植到嵌入式系統中。本文闡述了FreeModbus的移植方式，并將其與STM32F446RE控制器相結合。經驗證表明，其能夠完成基于Modbus RTU傳輸方式的通訊任務，具有穩定可靠的特點，可以應用于工業場合。

關鍵詞：Modbus；STM32；實時通信

一、引言

隨著工業IT技術的飛速發展以及工業控制系統復雜程度的提高，工業通訊網絡的應用日益受到重視，通訊協議的標準化對工業控制系統的穩定性產生了極大的影響。Modbus是一種廣泛應用的工業控制網絡，其具有穩定性高、易于部署和維護等優點，適合中小規模的數據傳輸。FreeModbus是一種針對嵌入式系統的Modbus協議棧，支持RTU、ASCII以及TCP傳輸模式，并遵守BSD許可，允許用戶將其應用于商業環境。

STM32是目前廣泛應用的32位嵌入式微處理器之一，具有體積小、功耗低、性能高等特點，非常適合于系統的實時控制。其中STM32F4系列是意法半導體推出的以Cortex-M4為內核的高性能控制器，能夠進行復雜的計算與控制。

本文以STM32F446RE為平臺，研究了FreeModbus協議的移植方法，使STM32F446RE能夠作為從站實現Modbus的通信，并支持Modbus RTU及ASCII傳輸模式，為未來工業控制的網絡化和信息化奠定了基礎。

二、FreeModbus簡介

Modbus是一種廣泛應用于工業控制中的串行通訊協議，其實現了一個單主站的主從網絡結構。Modbus支持的數據類型包括浮點數、32為整型等多種數據類型。目前，西門子S7 200系列等多個系列的PLC、威綸通等不同廠家、型號的觸摸屏以及組態王等軟件都支持Modbus協議。

FreeModbus是專門針對嵌入式系統設計的開源協議棧，其實現了Modbus 1.1a版的應用層協議，支持RTU與ASCII兩種傳輸模式，在FreeModbus 0.7版后，又添加了Modbus TCP傳輸模式的支持。FreeModbus與IOS/OSI通訊模型的關系如表1所示：

目前，FreeModbus支持大部分Modbus的指令，包括讀輸入寄存器（0x04）、讀保持寄存器（0x03）、寫單個寄存器（0x06）、寫多個寄存器（0x10）、讀寫多個寄存器（0x17）、讀線圈（0x01）、寫單個線圈（0x05）、寫多個線圈（0x0f）等多條指令。

三、FreeModbus協議的移植

在進行移植前，需要將FreeModbus的協議棧代碼導入到當前工程中，相應的協議棧源碼可以在FreeModbus官網上下載。

1、定時器計時功能的移植

當Modbus RTU傳輸的波特率高于19200 bps時，根據FreeModbus協議棧的要求，其超時時間應設定為1750微秒。STM32F446RE有不同類型的定時器十余個，可以選擇其中任意定時器，設定其定時時基為50微秒，該定時器的中斷時間為35倍時基，即1750微秒。

此外，還需在協議棧的porttimer.c文件中修改相應的函數，包括：

（1）時鐘初始化函數xMBPortTimersInit：通常，時鐘初始化會放到主函數中進行，因此xMBPortTimersInit函數僅修改返回值為True即可；

（2）定時器啟動函數vMBPortTimersEnable：此處需要編寫定時器啟動函數，例如當使用意法半導體提供的HAL庫時，vMBPortTimersEnable函數需編寫以下代碼：

HAL_TIM_Base_Stop_IT（&Modbus;_TimHandle）；

__HAL_TIM_SET_COUNTER（&Modbus;_TimHandle， 0x0000）；

HAL_TIM_Base_Start_IT（&Modbus;_TimHandle）；

上述代碼首先停止定時器，并初始化定時器的計數單元以保證計時準確，完成上述步驟后啟動定時器開始定時；

（3）定時器停止函數vMBPortTimersDisable：此函數需要編寫定時器停止函數，如使用HAL庫，則在函數中填寫如下代碼即可：

HAL_TIM_Base_Stop_IT（&Modbus;_TimHandle）；

2、定時器中斷的移植

FreeModbus定時器中斷調用函數為prvvTIMERExpiredISR（ ）。通常使用意法半導體提供的STM32Cube MX進行系統構建時，其會自動將全部中斷函數的實現放在stm32f4xx_it.c文件中，因此對FreeModbus定時器中斷的調用函數需要添加在stm32f4xx_it.c文件中相應位置即可。

3、串口驅動的移植

FreeModbus RTU的物理層是基于EIA/TiA-485、EIA/TIA-232規范的，因此其需要調用STM32F446RE的串口以完成數據的傳輸。

FreeModbus串口驅動的移植需修改協議棧portserial.c文件中的函數：

（1）串口初始化函數xMBPortSerialInit：通常串口的初始化會在主函數中完成，此處只要將返回值修改為True即可；

（2）串口使能函數vMBPortSerialEnable：此函數用于實現FreeModbus RTU串口通訊的使能，包括接收使能與發送使能。若使用意法半導體提供的HAL庫，則串口的接收使能與發送使能指令為：

__HAL_UART_ENABLE_IT（&Modbus;_UartHandle， UART_IT_RXNE）；

__HAL_UART_ENABLE_IT（&Modbus;_UartHandle， UART_IT_TXE）；

此外，在設置接收使能后，還需要調用FreeModbus協議棧的prvvUARTTxReadyISR函數對接收到的數據進行處理；

4、串口中斷的移植

與定時器中斷相似，在使用STM32CubeMX工具的時候，相應中斷的實現統一存放在stm32f4xx_it.c文件中，因此僅需要將FreeModbus協議棧的接收中斷處理函數prvvUARTRxISR以及發送完成中斷處理函數prvvUART TxReadyISR復制到相應由系統生成的串口中斷處理函數中即可。

5、指令處理函數的編寫

上述步驟完成了FreeModubs協議的移植，在主函數中可以編寫相應的指令處理函數，例如讀線圈指令、寫寄存器指令的處理函數，即可實現Modubs RTU協議。

四、系統測試

完成FreeModbus協議棧的移植后，可以選擇Modbus Poll軟件進行協議棧的測試。Modbus Poll軟件是Modbus協議棧的主站仿真軟件，能夠同時監視多個從站設備的數據，其支持Modbus RTU、ASCII以及TCP/IP傳輸模式。

在使用Modbus RTU進行傳輸時，需要首先設定系統的串口，如圖1所示：

完成設置后點擊OK，并進行從站連接，Modbus Poll即可顯示STM32F446RE中各寄存器的數據。

五、結論

Modbus協議是一種廣泛用于工業中的通訊協議。本文研究了一種基于STM32F446RE系統的Modbus協議實現方式，可以很好地應用于工業中，且有較短的開發周期，由較為廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]趙艷明、曾培峰. 一種基于STM32的Modbus-RS485通信方法. 智能計算機與應用，2018，8（03）：50-53+56

[2]張永偉、康興無. 基于STM32和Modbus的串口服務器系統. 電子設計工程，2017，25（16）：108-111+116

[3]劉禹辰、張仁杰、劉虎等. STM32與上位機Modbus協議的通信方法. 電子科技，2015，28（10）：27-30

[4]陳科、蔣軍. 基于STM32的MODBUS協議的實現與應用. 視聽，2013，4：9-10

[5]賀洪江、程琳. 基于STM32和Modbus的電參數采集系統. 自動化與儀表，2014，29（06）：26-29