嵌入式 STM32 通讯协议--MODBUS

news2024/9/30 9:35:19

目录

一、自定义通信协议

1、协议介绍

2、网络协议

3、自定义的通信协议 

二、MODBUS通信协议

1、概述

2、MODBUS帧结构 

协议描述

3、MODBUS数据模型  

4、MODBUS事务处理的定义

5、MODBUS功能码 

6、功能码定义 

 7、MODBUS数据链路层

8、MODBUS地址规则 

9、MODBUS帧描述

10、MODBUS两种串行传输模式 

11、MODBUS主机实现

一、自定义通信协议

1、协议介绍

什么是协议？？

协议，网络协议的简称，网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。它的三要素是：语法、语义、时序。为了使数据在网络上从源到达目的，网络通信的参与方必须遵循相同的规则，这套规则称为协议（protocol），它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

串口，STM32 跟电脑通信，双方的波特率必须是一样的才能够通信。----这也是一种协议。

2、网络协议

网络七层协议--TCP--

3、自定义的通信协议 

自己定义的一种协议。随便定义 ----即使是自定义的协议，一般也遵循一般协议的格式。

协议有什么格式？

通信中的数据往往以数据包的形式进行传送，我们把这样的一个数据包称为一帧数据。类似于网络通信中的TCPIP协议一样，比较靠谱的通信协议往往都是含有一下几个组成部分：帧头、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码、帧尾。

RS485 发送hello . 如果以数据帧格式发送hello. 怎么样写？？？

帧头：  一帧数据开始，可以使用多个字节。 假如以一个字节：0XFF  ----自己定义。

地址信息：跟哪个设备进行通信（类型于IIC器件地址） ---0X01  0X02  芯片ID

数据类型：如 0x01 –代表发的是字符。 0x02 –代表16进制   ---- 类似命令

数据长度： ---  如果发送的数据大于256个字节，至少用2个字节表示  0x00 0x05

数据块 ：数据，发送的数据

校验码 ：求和，CRC16, CRC8,

帧尾 ： 一帧数据结束，可以使用多个字节。 假如以一个字节：0XFE  ----自己定义。

二、MODBUS通信协议

参考资料

1、概述

串行链路上的 MODBUS
MODBUS 串行链路取决于 TIA/EIA 标准：232-F 和 485-A。

 

MODBUS 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备

之间提供客户机/服务器通信。

MODBUS 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。MODBUS 功能码是 MODBUS

请求/应答 PDU 的元素。

主机发起问答数据包，从机回复应答数据包，从机不能主动发起通信。

2、MODBUS帧结构 

协议描述

 

MODBUS数据帧包含了：地址域、功能码、数据域、校验 四部分 。

功能码向服务器指示将执行哪种操作。

 

3、MODBUS数据模型  

 

把数据模型看成功能码类型：Modbus一共有四种模式:

离散量输入：单个比特（一个位） ，只读。MCU用在读一个位的状态。如读取一个IO口的电平状态。

理解 STM32    GPIOX->IDR  & 1<<0 ; 即如果我们想要读取STM32 一个IO口的电平状态，那么 我们就可以把这个功能码设置为离散量输入 。在智能楼宇节点板上哪些功能可以使用离散量输入？？（读取按键状态、读取LED状态，读取继电器开关等待）。

线圈：单个比特（一个位） ，可读写。MCU用在读或写一个位的状态。如读取或者写一个IO口的电平状态。GPIOX->ODR |= 1<<0 ; GPIOX->ODR |= 1<<1;即如果我们想要写STM32 一个IO口的电平状态，那么 我们就可以把这个功能码设置为线圈 。在智能楼宇节点板上哪些功能可以使用线圈？？（开或者关LED，开或开关继电器。）

输入寄存器：16比特字（16位），只读。MCU用在读十六（多）个位的状态。如读取十六个IO口的电平状态。 u16 temp = GPIOX->IDR ; 在智能楼宇节点板上哪些功能可以使用输入寄存器？？（读取温湿度—

temp=get();读取光照强度、MP2.5  、空气质量、）。

保持寄存器：16比特字（16位），可读写。MCU用在读十六（多）个位的状态。如读取十六个IO口的电平状态。 u16 temp = GPIOX->IDR ;（OLED—写）

4、MODBUS事务处理的定义

5、MODBUS功能码 

有三类 MODBUS 功能码：有效的码字范围是十进制 1-255（128-255 为

异常响应保留）

第一类：公共功能码

第二类：用户定义功能码

第三类：保留功能码

6、功能码定义 

 

读输入离散量 – 0x02

功能 ：读一个位的状态。

PDU: 协议数据单元,包含MODBUS数据帧的功能码和数据

 功能码：0x02   占一字节。

起始地址：0x0000至0Xffff，占两字节，如写 0x1234

输入数量：需要读取的数量，最大可以读取2000个位。如写0x08 (相当于读8个位的状态。这8 个位可以是不连续)。

 功能码：0x82  占一字节。

字节数：需要多少个字节来存放你读取的状态。如读取8个位，则字节数应为0x01 。如读取9个位，则字节数应为0x02   à算法 N＝输出数量/8，如果余数不等于 0，那么N = N+1

输入状态 ：u8 temp;  temp = read() ;  如 0xab 表示读取的8个位的状态

 

 

将离散量输入状态 204-197 表示为十六进制字节值 AC，或二进制 1010 1100。输入 204 是这个字节的 MSB，输入 197 是这个字节的 LSB。

将离散量输入状态 218-213 表示为十六进制字节值 35，或二进制 0011 0101。输入 218 位于左侧第 3 比特，输入 213 是 LSB。

注：用零填充 2 个剩余比特（一直到高位端）。

读线圈 –0x01

读输入寄存器--0x04

 

 7、MODBUS数据链路层

 

主节点以两种模式对子节点发出 Modbus 请求:

 1. 在单播模式，主节点以特定地址访问某个子节点，子节点接到并处理完请求后，子节点向主节点返回一个报文(一个 '应答')。在这种模式， 一个 Modbus 事务处理包含 2 个报文： 一个来自主节点的请求， 一个来自子节点的应答。每个子节点必须有唯一的地址 (1 到 247)，这样才能区别于其它节点被独立的寻址。

 2. 在广播模式，主节点向所有的子节点发送请求。对于主节点广播的请求没有应答返回。 广播请求一般用于写命令。所有设备必须接受广播模式的写功能。地址 0 是专门用于表示广播数据的。

8、MODBUS地址规则 

 地址 0 保留为广播地址。 所有的子节点必须识别广播地址。

Modbus 主节点没有地址， 只有子节点必须有一个地址。 该地址必须在 Modbus 串行总线上唯一。

9、MODBUS帧描述

10、MODBUS两种串行传输模式 

有两种串行传输模式被定义: RTU 模式 和 ASCII 模式。

它定义了报文域的位内容在线路上串行的传送。它确定了信息如何打包为报文和解码。

Modbus 串行链路上所有设备的传输模式 (和串行口参数) 必须相同。

尽管在特定的领域 ASCII 模式是要求的，但达到 Modbus 设备之间的互操作性只有每个设备都有相同的模式： 所有设备必须必须实现 RTU 模式。 ASCII 传输模式是选项。

设备应该由用户设成期望的模式， RTU 或 ASCII。 默认设置必须为 RTU 模式。

  • RTU ---常用的。

 Modbus RTU 帧最大为 256 字节。

没有帧头，也没有帧尾。没有帧尾，怎么知道一帧数据结束？？？？

之前485怎么判断发送一次数据结束？？使用定显示器。发送两次数据之间时间间隔不超过10ms.

 由图可知，MODBUS RTU模式两帧数据之前使用 3.5个字符的时间来隔开。那么3.5个字符的时间为多长？？

由波特率决定。如波特率为9600时。发送一个字符的时间 1/9600(s)=0.104ms. 3.5个字符时间 3.5/9600(s) =0.365ms .

可以使用定时器，定时时间可以设置为1ms .

 

  • CRC校验

 

MODbus RTU模式使用的是CRC16校验。

CRC 包含由两个 8 位字节组成的一个 16 位值àCRC校验之后会得到一个16位的值。

CRC校验：

生成 CRC 的过程为:
1. 将一个 16 位寄存器装入十六进制 FFFF (全 1). 将之称作 CRC 寄存器.
2. 将报文的第一个 8 位字节与 16 位 CRC 寄存器的低字节异或，结果置于 CRC 寄存器.
3. 将 CRC 寄存器右移 1 位 (向 LSB 方向)， MSB 充零. 提取并检测 LSB.
4. (如果 LSB 为 0): 重复步骤 3 (另一次移位).
(如果 LSB 为 1): 对 CRC 寄存器异或多项式值 0xA001 (1010 0000 0000 0001).
5. 重复步骤 3 和 4，直到完成 8 次移位。当做完此操作后，将完成对 8 位字节的完整操作。
6. 对报文中的下一个字节重复步骤 2 到 5，继续此操作直至所有报文被处理完毕。
7. CRC 寄存器中的最终内容为 CRC 值.
8. 当放置 CRC 值于报文时，如下面描述的那样，高低字节必须交换。

11、MODBUS主机实现

按MODBUS协议的数据帧的格式来发送数据 ：

主机发送数据包括：

  1. 地址域 ：自行定义 （0x01） 
  2. 功能码：以0x01功能码为例

 

功能码发送过程： 功能码（1字节） + 起始地址（2字节） + 线圈数量（2字节） à先发高字节

如： 0x01 0x00 0x00 0x00 0x05

  1. 数据  à
  2. CRC
  3. 响应PDU à按照它的格式
  4. void ModbusSend_Master(u8 slaveaddr ,u8 cmd,u16 startaddr,u16 dataornum)
{
	u8 sendbuf [20]={0};
	u16 crc;
	sendbuf[0]= slaveaddr;
	sendbuf[1]= cmd;
	sendbuf[2]=(u8) startaddr>>8; 		//地址高8位
	sendbuf[3]=(u8) startaddr & 0X00FF;  //地址低8位
	sendbuf[4]=(u8) dataornum >>8; 	 //读线圈数量高8位
	sendbuf[5]=(u8) dataornum & 0X00FF;  //读线圈数量低8位
	crc = CRC_Compute(sendbuf,6) ;  	 //得到CRC
	sendbuf[6]= (u8) crc >>8      ; 		 //得到CRC 高8位
	sendbuf[7]= (u8) crc&0x00ff   ; 		 //得到CRC 低8位
	Modbus_SendData(sendbuf,8);
}
ModbusSend_Master(0x01,0x01,0x0000,0x0005);

    写一个主机接收函数，参考从机接收。

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