一種基于STM32的Modbus—RS485通信方法

趙艷明 曾培峰

文章編號： 2095-2163（2018）03-0050-05中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： （School of Computer Science and Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Based on STM32 chip， a Modbus-RS485 communication method is proposed. The method uses the object-oriented technology to manage Modbus calls and serial ports is universal， which can be easily portable to other systems with the same characteristics. After that， the paper elaborates using a state machine to manage Modbus communication combined with logs， so that the communication network has self-diagnosis and adaptive function. In combination with the characteristics of STM32 chip and Modbus protocol， a DMA receiving data method is proposed which is independent of the Modbus command length. This method can be used as a reference scheme to solve the low communication efficiency and slow data transmission of Modbus-RS485.

Key words：

引言

Modbus-RS485是一種在工業現場廣泛使用的布網方法＼[1＼]。RS485總線上最多支持255個從站，然而在實際應用場景中從站的數量遠遠大于這個數量?？刹捎脭U展Modbus地址域，或者數據域中添入物理地址來增加從站的數量＼[2＼]。

常見的Modbus通信方法有2種。一種是主站根據要請求的數據信息，封裝相應的請求幀，并生成對應的定時器，通信程序通過定時器來執行Modbus通話＼[3＼]。這種方法存在明顯的缺點，如果定時器時間設置過短容易發生數據碰撞，過長則導致通信效率低。另外一種是主站一次只允許發起一個通話，當從站回復數據或者從站在規定時間內不回復數據，主站才可以發起下一次通話＼[4＼]，這種方法和第一種沒有本質上的區別。

STM32芯片常見的數據接收方法有串口中斷＼[5＼]和DMA中斷 ＼[6-7＼]。使用串口中斷接收數據存在2個缺點。其一是接收效率太低，其二是通信雙方要設置既定的結束符。使用DMA中斷能夠提高數據接收效率，前提條件是接收的長度固定。然而掛載在同一根RS485總線上的從站回復的數據幀長度是不固定的，此時無法使用DMA接收中斷。

本文采用面向對象的思想將Modbus通話封裝成任務，任務中增加了通話對應的端口地址，使用這種方式使得主站可以訪問從站的數量超過255個。將實現數據收發的串口封裝成端口，一個端口對應一個對象，任務對象和端口對象通過消息建立聯系。通信程序使用狀態機管理Modbus通信，并將通信過程中的異常狀況以日志的形式記錄下來。通過對日志提取分析當前網絡狀態，動態調整任務調度。此外，本文基于STM32芯片，未配置DMA接收中斷實現一種DMA接收長度不固定的Modbus數據幀的方法。

1系統介紹

使用STM32芯片的串口實現RS485通信需結合RS485收發器。系統結構如圖1所示，圖中每個I/O端口連接一條RS485總線。

在系統中，主站和從站的串口設置，包括：波特率、停止位、奇偶校驗等重要匹配。RS485總線上的Modbus協議使用半雙工主從方式通信，主站發起Modbus通話向從站發出請求，從站則處于接收狀態，一直等待主站發送的數據。

2系統中的對象

在RS485總線下主站通過Modbus請求數據幀訪問從站，通信程序中如果直接為每個功能設計寫定一段請求幀，雖然程序看起來比較直觀，但是這種方式喪失了通用性，且可維護性差。在系統移植時，需要變更程序內請求幀。因此要將運算時的變量和實際操作變量的函數分離。在系統中的Modbus通話是有限的，可將通話封裝成任務。將通信系統中的所有任務的描述，以XML配置文件的方式得到保存。XML文件可用一個專門的上位機生成，當需要增加、刪除、修改功能時，就可通過上位機來重新生成配置文件，并將配置文件導入到單片機中，單片機通過文件解析程序構建任務對象。任務對象定義可見表1。

屬性名稱描述屬性名稱描述Index任務的編號cmd數組，存放請求數據幀PortIndex任務對應的端口號Cmdlen數據幀長度DeviceAddr設備地址rcvCmd指針，指向接收數組Function功能碼RcvLen接收數據長度RegAddr寄存器地址TErrorCount超時錯誤計數Interval任務的掃描周期SErrorCount發送錯誤計數Timeout任務超時時間RErrorCount接收錯誤計數Timer任務的執行時間Traffic任務執行次數計數status枚舉，任務狀態Enable任務使能開關同理，將每個物理串口映射到唯一的邏輯端口，每個端口都是一個對象。端口對象的定義則可見表2。

任務的調度借助一個循環鏈表，任務可以加入到鏈表的前提是任務使能開關被打開。系統經過初始化后，開始依次執行鏈表中的任務。周期性的任務常存在鏈表中；非周期任務，則在每次任務輪詢前插入到鏈表，或者從鏈表中刪除。當串口連接了RS485總線，并且總線上掛載了從站時，將打開串口對應的邏輯端口的使能開關，從而激活端口對象。

屬性名稱描述屬性名稱描述TaskAddr指針，指向任務Sendlen發送長度status枚舉，端口狀態RcvBuf數組，接收數據Timer端口工作時間Rcvlen接收長度Timeout端口超時時間Enable端口使能開關SendBuf指針，指向發送數組通信網絡需具備自診斷與自適應的功能，實現這一功能借助于系統日志，通過日志及時發現并處理通信異常狀況。通信雙方的串口設置不匹配或者從站出現異常的現象是：從站對應任務的Traffic統計中，RErrorCount數值偏高，而與該任務使用同一端口的其它任務RErrorCount數值正常。此時可以減少對該任務的輪詢。當物理鏈路發生損壞時，會導致端口發送出錯誤的請求命令，可設計硬件回送功能再次檢查發送的數據。鏈路損壞的現象是：當前任務和該任務使用同一個端口的其它任務的Traffic統計中SErrorCount都偏高，此時停止執行該端口對應下的所有任務。

3DMA數據收發

如果單純使用串口接收中斷的方式實現數據接收，頻繁地觸發串口接收中斷將會嚴重影響CPU的執行效率。STM32芯片提供了將串口復用成DMA的功能。DMA發送數據時，發送數據的長度是已知的，可配置DMA發送完成中斷來告知數據發送完成。但是在接收數據時，數據的長度是未知的。因此使用DMA接收數據需要解決2個問題，分別是：

（1）如何判斷有數據接收。

（2）如何從接收的數據中解析出一條完整的指令。

首先定義4個標志位，也就是：curPos、lastPos、startPos、 prev。定義一個和時間相關的變量LastRcvTime。其中，curPos指向當前接收數據位置；lastPos指向上次數據接收的位置；startPos指向開始接收數據的位置；prev指向數據接收完畢的位置；LastRcvTime記錄最近一次接收數據的時間。數據接收狀態如圖2所示。圖2數據接收狀態

Fig. 2Data receiving state

將DMA配置成循環模式，并設置隊列長度RXLen。DMA中的CNDTR寄存器會記錄數據的接收位置（curPos）。使用STM32芯片提供的SysTick_Handler滴答計時器定時查看curPos是否發生變化，結合Modbus協議特點，如果3.5個字節（記為frameTime）內curPos一直不發生變化，認為DMA接收數據完畢。具體流程如下。

（1）當準備接收數據前、系統新近開始接收數據或者上一次命令接收結束后。置4個標志位為同一位置（RXLen-CNDTR）。

（2）通過SysTick_Handler函數定時查看curPos是否發生改變。如果發生改變，則將LastRcvTime賦值為當前系統時間，并且將lastPos賦值為curPos。

（3）當curPos數值和lastPos數值相等時，可認為當前數據可能接收完畢。

（4）frameTime內curPos不發生改變，即系統當前時間systemTime和LastRcvTime的差值超過frameTime，認為當前數據接收完畢，將prev賦值為curPos。此時認為startPos和prev之間接收為一條待驗證的Modbus命令。

4狀態機模型建立

4.1端口狀態機

在端口對象定義中，status是一個枚舉類型，包含了端口7個狀態，端口的狀態轉換如圖3所示。

圖3中，CRC（Sending（msg））表示對回送的數據做CRC校驗，檢驗結果正確時值為0，否則值不為0。任務與端口的關系是多對一的，并且主站可以訪問同一從站的不同寄存器。因此Prase（Receiving（msg））不僅對接收的數據啟用CRC校驗，也會對設備地址和功能碼進行檢查。端口狀態機的處理流程描述如下。

（1）當端口對象處于Port_Idle狀態，并且端口的TaskAddr指針指向為空時，此時端口可被占用。

（2）當端口對象被占用之后，端口對象將指針變量TaskAddr指向當前任務。通過端口，該指針可獲得任務對象存儲發送的命令的數組的地址和命令的長度。端口開始發送數據，跳轉到Port_Sending狀態。

（3）對回送數據進行CRC校驗。如果檢驗失敗，跳轉到Port_SendError狀態；如果校驗正確，跳轉到Port_Wait狀態。

（4）如果沒有數據接收，則繼續等待，并開始計時，等待超時則跳轉到Port_Timeout狀態。如果發現有數據接收，跳轉到Port_ Receiving狀態。

（5）判斷當前數據是否接收完畢。數據接收完畢后對數據進行解析。解析包括CRC校驗、設備地址的檢查。如果解析失敗，則跳轉到Port_ReceiveError；如果解析成功，則將數據的接收地址和接收的長度通過任務指針告知給任務對象。

（6）當端口處于Port_SendError、Port_Timeout、Port_ReceiveError異常狀態時，會將狀態反饋給任務。

4.2任務狀態機

任務對象定義中，status是一個枚舉類型，任務包含了10個狀態，任務狀態轉換如圖4所示。

設計任務狀態機時有一個前提條件：正確的命令可能會收到正確的回復數據，不正確的命令一定收不到正確的回復數據。因此在任務狀態機中增加Task_Retry狀態，盡可能保證發出的請求命令是正確的。圖4中，rescheduleTime表示任務再次發起的時間，該值為任務開始進入Task_Retry的系統時間systemTime加掃描周期Interval。任務狀態機的處理流程可分述如下。

（1）開始任務對象處于Task_Idle狀態。當有任務執行時，跳轉到Task_Check狀態，檢查要綁定的是否被占用。

（2）如果端口被占用，放棄當前任務，跳轉到Task_Idle狀態。如果沒有被占用，則跳轉到Task_Bind狀態。

（3）任務會把命令數組的地址和長度告知給端口，跳轉到Task_Schedule狀態。

（4）當任務對象接收到端口Port_Timeout、Port_ReceiveError異常狀況反饋時，相應跳轉到Task_Timeout狀態、Task_ReceiveError狀態，同時TErrorCount、SErrorCount的數值加1，將異常狀況保存到日志當中，并跳轉到Task_Unbind狀態。

（5）任務得到接收的地址和長度，跳轉到Task_Receive狀態。將得到的數據返回給Modbus主站后，跳轉到Task_Unbind狀態。

（6）當任務接收到端口Port_SendError反饋，首先跳轉到Task_SendError狀態，RErrorCount數值加1，把異常狀況保存到日志當中。然后判斷任務的執行時間是否已經結束。如果已經結束，跳轉到Task_Unbind狀態。如果還未結束，則跳轉到Task_Retry狀態。

（7）任務處于Task_Retry狀態，需要等到掃描周期才能再次發起任務。在掃描周期內，任務一直處于該狀態。一旦等到掃描周期，則跳轉到Task_Schedule狀態。

（8）任務處于Task_Unbind狀態時，無論任務執行成功，或是失敗，都會解除對端口的占用。

5結束語

實現面向對象方法既可避免重復性代碼的編寫，又容易維護。作為一種思想，這是不受編程語言限制的，本文利用面向對象和狀態機設計研發的RS485-Modbus通信方法具備通用性。同時，將通信異常狀況以日志的形式記錄下來，通信網絡借助日志使得自身具備自診斷性和自適應性。文中提出的DMA接收數據方法亦可使用于同特點的其它系統中。

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