STM32单片机Modbus通信技术：10个实战案例，解锁工业设备互联

# 1. STM32单片机Modbus通信基础**

Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，它允许不同设备之间进行数据交换和控制。STM32单片机凭借其强大的处理能力和丰富的外设资源，非常适合作为Modbus通信的实现平台。

本章将介绍Modbus通信的基础知识，包括其协议结构、数据格式、功能码和寄存器寻址方式。通过理解这些基础概念，读者可以为后续的Modbus通信编程奠定坚实的基础。

# 2. Modbus通信协议详解

### 2.1 Modbus RTU/ASCII协议

#### 2.1.1 帧结构和数据格式

Modbus RTU/ASCII协议采用主从通信模式，帧结构如下：

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 地址域 | 功能码 | 数据域 | CRC校验 |
+--------+--------+--------+--------+

* **地址域：**1字节，表示从机地址。
* **功能码：**1字节，表示操作类型。
* **数据域：**可变长度，包含操作所需的数据。
* **CRC校验：**2字节，用于校验数据传输的正确性。

ASCII协议使用ASCII码表示数据，而RTU协议使用二进制码表示数据。

#### 2.1.2 功能码和寄存器寻址

Modbus协议定义了多种功能码，用于执行不同的操作，常见的功能码如下：

| 功能码 | 操作 |
|---|---|
| 0x01 | 读线圈状态 |
| 0x02 | 读离散输入状态 |
| 0x03 | 读保持寄存器 |
| 0x04 | 读输入寄存器 |
| 0x05 | 写单个线圈 |
| 0x06 | 写单个寄存器 |
| 0x0F | 写多个寄存器 |
| 0x10 | 读多个寄存器 |

寄存器寻址使用16位无符号整数表示，寄存器地址范围由从机设备决定。

### 2.2 Modbus TCP协议

#### 2.2.1 协议栈和数据包结构

Modbus TCP协议基于TCP/IP协议栈，数据包结构如下：

+--------+--------+--------+--------+--------+
| TCP头部 | MBAP头部 | 功能码 | 数据域 |
+--------+--------+--------+--------+

* **TCP头部：**20字节，包含源端口、目的端口、序列号、确认号等信息。
* **MBAP头部：**7字节，包含事务标识符、协议标识符、长度字段。
* **功能码：**1字节，表示操作类型。
* **数据域：**可变长度，包含操作所需的数据。

#### 2.2.2 连接建立和数据交换

Modbus TCP协议采用客户端-服务器模式，连接建立过程如下：

1. 客户端向服务器发送连接请求。
2. 服务器接受连接请求，建立TCP连接。
3. 客户端发送Modbus TCP数据包。
4. 服务器处理数据包，并返回响应。

数据交换过程如下：

1. 客户端发送Modbus TCP数据包。
2. 服务器处理数据包，并返回响应。
3. 客户端接收响应，并解析数据。

# 3. STM32单片机Modbus通信编程**

### 3.1 Modbus库的选择和使用

#### 3.1.1 FreeModbus库简介

FreeModbus库是一个开源的Modbus协议实现，支持RTU、ASCII和TCP协议。它提供了一组丰富的函数和数据结构，可以简化Modbus通信编程。

#### 3.1.2 库函数和数据结构

FreeModbus库包含以下主要函数：

- `eMBInit()`: 初始化Modbus库
- `eMBPoll()`: 轮询Modbus通信
- `eMBSetSlaveID()`: 设置从机ID
- `eMBSlaveProcessImage()`: 处理从机数据

FreeModbus库还定义了以下数据结构：

- `eMBMaster`: 主机数据结构
- `eMBSlave`: 从机数据结构
- `eMBBuffer`: 数据缓冲区结构

### 3.2 Modbus从机编程

#### 3.2.1 从机初始化和配置

从机初始化和配置包括以下步骤：

1. 调用`eMBInit()`函数初始化Modbus库。
2. 调用`eMBSlaveInit()`函数初始化从机。
3. 调用`eMBSlaveSetSlaveID()`函数设置从机ID。
4. 调用`eMBSlaveSetServerAddress()`函数设置从机服务器地址。
5. 调用`eMBSlaveStart()`函数启动从机。

#### 3.2.2 数据处理和响应生成

从机接收到主机请求后，需要执行以下步骤：

1. 调用`eMBSlaveProcessImage()`函数处理数据。
2. 根据功能码和寄存器地址，读取或写入数据。
3. 调用`eMBSlaveSendResponse()`函数生成响应。

### 3.3 Modbus主从机编程

#### 3.3.1 主从机通信流程

主从机通信流程如下：

1. 主机发送请求。
2. 从机接收请求并处理数据。
3. 从机生成响应并发送给主机。
4. 主机接收响应并解析数据。

#### 3.3.2 主机数据请求和从机响应

主机发送数据请求时，需要指定以下参数：

- 从机ID
- 功能码
- 起始地址
- 数据长度

从机收到请求后，需要根据功能码和起始地址读取或写入数据，并生成响应。响应包含以下数据：

- 从机ID
- 功能码
- 数据（如果需要）

# 4. Modbus通信实战案例

### 4.1 温湿度采集和远程控制

#### 4.1.1 传感器接口和数据采集

温湿度采集系统通常使用温湿度传感器，如 DHT11 或 AM2302。这些传感器通过 I2C 或 SPI 接口与 STM32 单片机连接。

**I2C 接口代码示例：**

#include <stm32f1xx_i2c.h>

void i2c_init() {
  // 初始化 I2C 外设
  I2C_InitTypeDef i2c_init;
  i2c_init.I2C_ClockSpeed = 100000;  // 设置 I2C 时钟频率为 100kHz
  i2c_init.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
  i2c_init.I2C_