STC15单片机-上位机通过Modbus-RTU协议与开发板通信

上位机通过Modbus-RTU协议与开发板通信

Modbus协议

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司(现在的施耐德电气Schneider Electric)于 1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus 已经成为工业领域通信协议的业界标准(De facto)，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

更详细的介绍可看这篇文章：http://t.csdn.cn/n1T5O

实验前梳理

要进行Modbus通信，就要先写一个上位机软件，是用C#语言编写的（还不会，先用现成的）；然后电脑通过USB转485工具与开发板的A、B端子相连接，Modbus协议使用RS-485进行传输；

实验功能

获取PCB板温度，并在数码管上显示；

按键2可以通过单击、双击、长按调整PWM灯的亮度

上位机通过Modbus协议实时获取PCB板的温度、PWM灯的亮度

上位机通过Modbus协议可以设置PWM灯的亮度

本次实验的报文格式

上位机读取开发板的板载温度和PWM灯的亮度，这不是某个位状态，而是寄存器数值，所以功能码是03，读单个或多个保持寄存器的值

上位机还可以设置PWM灯的亮度，所以用到的功能码是06，写单个保持寄存器

程序

文件结构

main.c ->主函数文件，包含main函数等;

Public.c ->公共函数文件，包含Delay延时函数等;

Sys_init ->系统初始化函数，包含GPIO初始化函数等;

ADC.c->ADC初始化，采集ADC值等;

NTC.c ->NTC外设函数，包含查表，获取环境温度等;

Modbus.c ->Modbus外设函数，主要包含Modbus协议解析函数，读寄存器函数和写寄存器函数;

CRC-16.c->校验函数，主要包含CRC-16校验函数。

与上一节数码管显示温度代码相比改动的地方

main.c：获取PCB板温度，数码管显示温度，状态机扫描按键2，按键2按下触发调整PWM灯亮度，串口1协议解析

系统主循环
while(1)
{
    //获取PCB板温度
    NTC.Get_Temperature_Value(); 
    //数码管显示温度
    TM1620.Disp_Temperture();    

    //延时500ms
    /*这里不能用Public.Delay_ms(500),这样的话延时就太久了，上位机发送指令下来单片机可能收不到，所以改为用while循环
    循环500次，每次延时1毫秒，然后进行按键2的状态机扫描*/
    i = 500;	
    while(i--)
    {
        Public.Delay_ms(1);
        KEY2.KEY_Detect(); //状态机扫描按键2	每隔10毫秒扫描一次
		
        //这两条if语句起从机监听作用
        if(UART1.ucRec_Flag == TRUE)//如果接收到上位机发送的指令，则用break退出循环，执行下面调整PWM灯亮度
        {
            break;
        }
        if(KEY2.KEY_Flag == TRUE)	//如果按键2被按下，则跳出循环，及时改变PWM灯的亮度
        {
            break;
        }
    }
    //按键触发调整PWM灯亮度
    PWM.PWM_LED_Adjust_Brightness(); 
    //串口1协议解析
    UART1.Protocol();                
}
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public.c：增加内存清除函数Memory_Clr

/*
* @name   Memory_Clr
* @brief  内存清除函数
* @param  pucBuffer -> 要清除的内存首地址
* @param  LEN -> 要清除内存长度
* @retval None   
*/
static void Memory_Clr(uint8_t *pucBuffer,uint16_t LEN)
{
    uint16_t i;
    for(i=0;i<LEN;i++)
    {
        *(pucBuffer+i) = (uint8_t)0;
    }
}
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public.h：注释掉宏定义Monitor_Run_Code，定义时是往串口USB发送的，不定义就是RS-485发送，可在UART1.c文件中切换串口

UART1.c：串口1初始化函数 Init() 处，用预编译命令设置AUXR1寄存器，如果public.h中宏定义了Monitor_Run_Code，则将串口1映射到P30、P31引脚（串口USB调试信息）；如果没定义Monitor_Run_Code，则将串口1映射到P36、P37引脚（RS-485传输）

//把串口1映射到USB转TTL模块连接的P30和P31引脚，默认该两位是0
#ifdef Monitor_Run_Code
	AUXR1  &= ~(S1_S1);         //AUXR1第7位清0
	AUXR1  &= ~(S1_S0);         //AUXR1第6位清0
#endif

//把串口1映射到RS-485连接到的P37和P36引脚
#ifndef Monitor_Run_Code
	AUXR1 &= ~S1_S1;        //AUXR1第7位清0
	AUXR1 |=  S1_S0;        //AUXR1第6位置1
#endif
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波特率改为9600，原来是115200；

预编译命令包括putchar发送函数重定义；在宏定义Monitor_Run_Code时，可以用printf函数将信息打印到串口上；没宏定义Monitor_Run_Code时，不能使用 printf 函数，否则会造成运行异常

/*
* @name   putchar
* @brief  字符发送函数重定向
* @param  ch：发送的字符
* @retval char   
*/
#ifdef Monitor_Run_Code
  extern char putchar(char ch)
  {
    UART1.UART_SendData((uint8_t)ch);   //在putchar函数内直接调用串口发送字符函数
    return ch;
  }
#endif
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实现串口协议函数Protocol

/*
* @name   Protocol
* @brief  串口协议
* @param  None
* @retval None   
*/
static void Protocol()
{
  //判断经过RS-485传输后串口是否接收到数据
  if(UART1.ucRec_Flag == TRUE)
  {
    //过滤干扰数据0
    //Modbus协议中，主机发送的信息帧第一个字节是从机地址，范围是1 ~ 247，该if语句则判断是否是从机地址，0是广播地址
    if(ucRec_Buffer[0] != 0)
    {
      Timer0.usDelay_Timer = 0; //延时定时器清零，开始计时
      while(UART1.ucRec_Cnt < 8)
      {
       if(Timer0.usDelay_Timer >= TIMER_100MS) //100ms内没接收完8个字节，则跳出循环
       {
         break;
       }
      }
      //接收完8个字节数据，则进行协议分析
      Modbus.Protocol_Analysis(&UART1);
    }
    //清除缓存
    Public.Memory_Clr(ucRec_Buffer,(uint16_t)UART1.ucRec_Cnt);

    //重新接收
    UART1.ucRec_Cnt = 0;
    UART1.ucRec_Flag = FALSE;
  }
}
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Timer0.h：增加延时定时器usDelay_Timer
Timer0.c：中断处理函数中usDelay_Timer++

NTC.h：增加用于Modbus发送的温度值uTemperature
NTC.c：将ADC采集值Temp赋值给uTemperature，给Modbus.c读寄存器函数调用，封装成帧发送给主机

  //用于Modbus传输到上位机的温度值
  NTC.uTemperature = Temp;
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PWM.h：在结构体内增加声明指向PWM_Duty_Set()函数的指针
PWM.c：初始化指向PWM_Duty_Set()函数的指针，给后续主机通过Modbus协议写数据设置PWM灯亮度使用，用来设置占空比

增加CRC_16.h和CRC_16.c：CRC校验码的计算

#ifndef __CRC_16_H_
#define __CRC_16_H_

//定义CRC校验码的结构体
typedef struct
{
    uint16_t CRC;     //CRC校验值
    uint8_t  CRC_H;   //高位
    uint8_t  CRC_L;   //低位

    uint16_t (*CRC_Check)(uint8_t *,uint8_t );
}CRC_16_t;

/* extern variables-----------------------------------------------------------*/
extern CRC_16_t idata CRC_16;
/* extern function prototypes-------------------------------------------------*/ 

#endif
/********************************************************
  End Of File
********************************************************/
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/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include 

/* Private define-------------------------------------------------------------*/

/* Private variables----------------------------------------------------------*/
uint16_t CRC_Check(uint8_t *,uint8_t );
/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
CRC_16_t idata CRC_16 = 
{
    0,
    0,
    0,
    CRC_Check
};
/*******************************************************
说明：CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节

CRC计算方法：
 1.预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF(即全为1);称此寄存器为CRC寄存器;
 2.把第一个8位二进制数据(既通讯信息帧的第一个字节)与16位的CRC寄存器的低
 8位相异或，把结果放于CRC寄存器;
 3.把CRC寄存器的内容右移一位(朝低位)用0填补最高位，并检查右移后的移出位;
 4.如果移出位为0:重复第3步(再次右移一位);
 如果移出位为1:CRC寄存器与多项式A001(1010 0000 0000 0001)进行异或;
 5.重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理;
 6.重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理;
 7.将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的16位CRC寄存器的高、低
 字节进行交换;
********************************************************/

/* Private function prototypes------------------------------------------------*/

/*
* @name   CRC_Check
* @brief  CRC校验
* @param  CRC_Ptr：数组指针
* @param  LEN：数组长度
* @retval uint16_t类型的CRC校验值   
*/
uint16_t CRC_Check(uint8_t *CRC_Ptr,uint8_t LEN)
{
    uint16_t CRC = 0;
    uint8_t i = 0;
    uint8_t j = 0;
    
    CRC = 0xFFFF;
    for(i=0;i<LEN;i++)  //CRC校验是校验一帧数据中CRC位置前面的所有数据，LEN根据实际情况改变
    {
        CRC ^= *(CRC_Ptr+i);//CRC_Ptr是8位，解引用取出某位后，与16位的CRC低8位进行异或操作
        for(j=0;j<8;j++)    //处理一个字节数据，8位
        {
            if(CRC & 0x0001)
            {
                CRC = (CRC >> 1) ^ 0xA001;//如果最低位是1，与0xA001进行异或
            }
            else
            {
                CRC = (CRC >> 1);//如果最低位一直是0，则一直右移
            }
        }
    }
    CRC = ((CRC >> 8) + (CRC << 8));    //交换高低字节
    return CRC;
}
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  End Of File
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增加Modbus.h和Modbus.c：

主要是Modbus协议解析，然后读寄存器和写寄存器再分别写成两个函数，读寄存器时是从机组帧并返回信息给主机，写寄存器时从机返回的信息与主机发来的一致，提取主机发来的PWM灯亮度值，调用PWM_Duty_Set()函数设置PWM灯亮度

#ifndef __Modbus_H_
#define __Modbus_H_

//定义结构体类型
typedef struct
{
    uint16_t Addr;                      //从机地址

    void (*Protocol_Analysis)(UART_t* );//协议分析

}Modbus_t;

/* extern variables-----------------------------------------------------------*/
extern Modbus_t idata Modbus;
/* extern function prototypes-------------------------------------------------*/ 

#endif
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  End Of File
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处理主机发送过来的信息帧步骤

1.先独立计算出前6位的CRC校验码，并与主机发来的CRC校验码进行比较，校验码相等则进行下一步，不相等则不进行下面操作，直接提示校验码出错

2.判断从机地址，是否是本从机的地址，是则进行下一步操作

3.判断功能码，如果是03读保持寄存器，则调用Modbus_Read_Register()函数，组帧并返回给主机；如果是06写保持寄存器，则调用Modbus_Write_Register()函数，返回相同的信息帧给主机，提取主机发送的数据

遇到的问题

在编写Modbus相关函数代码前，想测试一下数码管显示温度的同时按键2是否可以改变PWM灯的亮度，在写好UART1.c的预编译切换串口到USB传输或者RS-485传输，波特率设为9600，将重写的putchar函数也包括在预编译指令中后，编译烧写，发现按键2按下后PWM灯没反应，数码管显示的温度也一直不变

后来发现，在public.h头文件中，如果宏定义了 Monitor_Run_Code，则按键2正常调节亮度，数码管实时显示温度，但仍然没有响应上位机的消息；如果没有宏定义 Monitor_Run_Code，则开发板按键2按下后PWM灯没法调亮度，数码管显示的温度不实时，温度显示卡死，把手按在NTC电阻上仍然是同一个温度，上位机发送数据开发板也没有响应；

原因

PWM.c文件的PWM_LED_Adjust_Brightness函数中原本单击的输出语句是这样的（双击、长按的也类似，输出的信息不一样）

UART1.RS485_Set_SendMode();           //RS-485设置为发送模式
printf("KEY2 click detected\r\n\r\n");    //打印单击信息
UART1.RS485_Set_RecMode();            //RS-485设置为接收模式
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查看使用到的代码源文件，发现PWM.c源文件的打印按键信息语句处有问题，与RS-485设置发送模式和接收模式没有关系，这只是一个引脚的状态位改变而已，没有宏定义Monitor_Run_Code语句时，虽然串口切换到了RS-485的引脚上，但那些ADC采集值，NTC电压，温度是用 printf 打印的，没有宏定义 Monitor_Run_Code 语句也就这些信息都没有进行打印，问题就出在了

printf("KEY2 click detected\r\n\r\n");    //打印单击信息
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这条语句上，因为重写putchar函数也是用预编译包含了，没宏定义 Monitor_Run_Code也就没有重写putchar函数，所以这里的printf函数就不是往串口上输出的，应该是原原本本的C语言printf输出函数，输出到标准输出流上，用在单片机这里就导致了系统运行错误，把printf这条语句注释掉则系统运行正常，也可以改为#ifdef #endif形式；如果宏定义了Monitor_Run_Code语句，那putchar函数会被重写，这里的printf函数也就正常往串口发送信息

可改为：

#ifdef Monitor_Run_Code
	printf("KEY2 click detected\r\n\r\n");    //打印单击信息
#endif
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更改后在没有涉及Modbus协议的前提下，数码管温度显示实时，按键2按下会调整PWM灯亮度

然后再确认Modbus协议代码没问题，编译烧写，发现上位机发送数据到开发板后，开发板会自动回应主机，同时上位机也获取到了开发板的温度和PWM灯亮度值，手动设置PWM灯亮度值时，PWM灯也会发生改变，程序运行正常且效果正确

看教程时需要注意的点

在UART1内部使用接收和发送数组时直接使用数组名，外部使用接收和发送数组时通过结构体指针调用

电脑开发一个上位机作主机，STC15开发板作从机，用MODBUS-RTU协议

Modbus只是定义了通信报文的格式，并没有定义数据的格式，数据格式要自己定义，所以行业中不同厂家的Modbus协议可能是不兼容的，因为数据的格式不一样

假如NTC获取的温度是 -30 ~ 70℃，要将温度编码传输，比如是-15.5度，先加30，结果再乘以2，得到29就传输过去，到达另一端后再解码，(29/2)-30 = -15.5

Modbus协议不一定是用RS-485接口，也可以用串口，CAN口，RS-232，RS-422等

通信格式的Address是通信地址：1 ~ 247 只有到247，其他地址可能有其他用途

寄存器地址定义中，地址40001被定义为PCB板温度，地址40002被定义为PWM灯亮度

主函数中while(1)循环内再用whlie循环实现延时，具有实时性，不能用Public.Delay_ms，会出错

重要方法

在main函数主循环中，获取PCB板温度并在数码管上显示，同时不断用状态机检测按键2，此时方法中没有加延时的话，串口打印的温度数据会非常快，按键虽然能起作用，但在串口中也看不到按键信息，很快就被刷上去了

普通延时方法

如果在数码管显示温度后用Delay_ms函数延时500ms，则按键2按下时会有很大概率检测不到，导致PWM灯没反应，因为按键2是定时器每隔10ms扫描状态机来检测的，速度很快，所以每个按下瞬间都能检测到，如果主函数中延时了500ms，就没有了实时性，所以这种延时方法对实时性要求高的操作来说是不可取的

while(1)
{
    //获取PCB板温度
    NTC.Get_Temperature_Value();
    //数码管显示温度
    TM1620.Disp_Tempareture();

    Public.Delay_ms(500);	//延时太久，可能按键2被按下瞬间还在延时里没有出来，导致按键2没有被检测到
    KEY2.KEY_Detect();
    //设置PWM灯亮度
    PWM.PWM_LED_Adjust_Brightness();
}
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改进延时方法

将延时500ms改为延时1ms，共循环500次；

先定义静态类型的16位无符号整型 i，然后要在while(1)里面赋值为500，因为main函数执行后，就一直在while(1)里循环执行，如果在定义时就初始化为500，那执行一遍后 i 就被减完了，而 i 又没有重新赋值，就没有延时效果，所以要在while(1)里面再赋值

这种写法在获取温度在数码管显示来看，是间隔了1 * 500 = 500ms才执行一次的，但按键2的检测只是延时了1ms，并不会影响定时器扫描状态机，当检测到按键2被按下时，立即退出剩余循环，实时设置PWM灯的亮度，所以这种方法在处理实时性操作时是比较可取的

int main(void)
{
	static uint16_t i = 0;
	//系统初始化
	Hradware.Sys_Init();
	//串口1发送初始化信息
	#ifdef Monitor_Run_Code
		printf("Initialization completed,system startup!\r\n\r\n");
	#endif
	//系统主循环
	while(1)
	{
		//获取PCB板温度
		NTC.Get_Temperature_Value();
		//数码管显示温度
		TM1620.Disp_Tempareture();

		i = 500;
		while(i--)
		{
			Public.Delay_ms(1);
			//状态机检测按键2
			KEY2.KEY_Detect();
			if(KEY2.KEY_Flag == TRUE)	//按键2被按下则退出循环，实时设置PWM灯亮度
			{
				break;
			}
		}
		//设置PWM灯亮度
		PWM.PWM_LED_Adjust_Brightness();
	}
}
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