【实战】STM32F103实现Modbus RTU从站协议栈（完整源码+详细解析）
·
前言
Modbus RTU作为工业自动化领域的“通用语言”，是嵌入式工程师必须掌握的通信协议之一。本文基于STM32F103C8T6开发板，从零实现一套完整的Modbus RTU从站协议栈，包含核心协议解析、CRC16校验、寄存器读写等关键功能，代码可直接移植到实际项目中。
一、项目概述
1.1 核心目标
基于STM32F103C8T6 + RS485模块，实现Modbus RTU从站功能，支持工业场景中最常用的03（读取保持寄存器） 和 06（写入单个寄存器） 功能码，可与Modbus Poll等主站软件完成数据交互。
1.2 硬件需求
| 硬件名称 | 说明 |
|---|---|
| STM32F103C8T6开发板 | 核心控制单元 |
| RS485通信模块 | 工业级串行通信（需控制DE/RE引脚） |
| 串口转USB模块 | 调试与数据监控 |
| 杜邦线 | 硬件连接 |
1.3 项目结构
modbus-stm32/
├── Inc/ # 头文件目录
│ └── modbus.h # Modbus协议头文件
├── Src/ # 源文件目录
│ ├── modbus.c # Modbus协议核心实现
│ ├── main.c # 主程序（初始化+中断处理）
│ └── stm32f1xx_it.c # 串口初始化
├── STM32F1xx/ # STM32底层驱动
│ ├── Core/
│ └── Drivers/
└── Makefile # 编译脚本（或使用STM32CubeIDE）
二、核心代码实现
2.1 头文件定义（modbus.h）
该文件定义了Modbus协议的核心常量、寄存器地址、函数声明，是整个协议栈的“骨架”：
#ifndef __MODBUS_H
#define __MODBUS_H
#include "stm32f1xx_hal.h"
/* Modbus功能码 */
#define MODBUS_FUNC_READ_HOLD_REG 0x03 // 读取保持寄存器
#define MODBUS_FUNC_WRITE_SINGLE_REG 0x06 // 写入单个寄存器
/* Modbus错误码 */
#define MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_FUNCTION 0x01 // 非法功能码
#define MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_DATA_ADDR 0x02 // 非法寄存器地址
/* CRC16校验常量 */
#define CRC16_INIT 0xFFFF
#define CRC16_POLY 0xA001
/* 寄存器地址映射（模拟工业参数） */
#define REG_TEMP 0x0000 // 温度寄存器（2500 = 25.00℃）
#define REG_HUMIDITY 0x0001 // 湿度寄存器（6000 = 60.00%）
#define REG_PRESSURE 0x0002 // 压力寄存器（1013 hPa）
#define REG_STATUS 0x0003 // 状态寄存器（0x0001=运行中）
/* 从站地址与串口配置 */
#define MODBUS_SLAVE_ADDR 0x01
#define MODBUS_USART USART1
/* 全局缓冲区（中断接收/发送） */
extern uint8_t modbus_rx_buffer[256];
extern uint16_t modbus_rx_len;
extern uint8_t modbus_tx_buffer[256];
extern uint16_t modbus_tx_len;
/* 核心函数声明 */
void Modbus_Init(void); // 寄存器初始化
void Modbus_Process(void); // 协议帧解析
uint16_t Modbus_CRC16(uint8_t *data, uint16_t len); // CRC16校验
void Modbus_SendResponse(uint8_t *frame, uint16_t len); // 发送响应
uint16_t Modbus_ReadRegister(uint16_t reg_addr); // 读寄存器
void Modbus_WriteRegister(uint16_t reg_addr, uint16_t value); // 写寄存器
#endif /* __MODBUS_H */
2.2 Modbus协议核心实现（modbus.c）
（1）基础初始化
初始化模拟寄存器的默认值，模拟工业现场的传感器初始数据：
#include "modbus.h"
#include <string.h>
/* 模拟寄存器存储（实际项目可替换为真实传感器数据） */
static uint16_t registers[100] = {0};
uint8_t modbus_rx_buffer[256] = {0};
uint16_t modbus_rx_len = 0;
uint8_t modbus_tx_buffer[256] = {0};
uint16_t modbus_tx_len = 0;
void Modbus_Init(void) {
// 初始化默认参数
registers[REG_TEMP] = 2500; // 25.00°C
registers[REG_HUMIDITY] = 6000; // 60.00%
registers[REG_PRESSURE] = 1013; // 1013 hPa
registers[REG_STATUS] = 0x0001; // 运行状态
}
（2）CRC16校验（Modbus必备）
Modbus RTU协议的核心校验算法，确保数据传输的完整性：
uint16_t Modbus_CRC16(uint8_t *data, uint16_t len) {
uint16_t crc = CRC16_INIT;
for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
crc ^= data[i];
for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
if (crc & 0x0001) {
crc >>= 1;
crc ^= CRC16_POLY;
} else {
crc >>= 1;
}
}
}
return crc;
}
（3）协议帧解析（核心逻辑）
处理主站发来的请求帧，解析功能码并执行对应操作，返回响应帧：
void Modbus_Process(void) {
if (modbus_rx_len < 3) return; // 帧长度不足，直接返回
uint8_t slave_addr = modbus_rx_buffer[0];
uint8_t func_code = modbus_rx_buffer[1];
// 校验从站地址（只处理目标为本机的帧）
if (slave_addr != MODBUS_SLAVE_ADDR) {
modbus_rx_len = 0;
return;
}
switch (func_code) {
case MODBUS_FUNC_READ_HOLD_REG: {
// 解析寄存器起始地址和数量
uint16_t start_addr = (modbus_rx_buffer[2] << 8) | modbus_rx_buffer[3];
uint16_t reg_count = (modbus_rx_buffer[4] << 8) | modbus_rx_buffer[5];
// 校验寄存器地址范围
if (start_addr >= 100 || (start_addr + reg_count) > 100) {
// 返回非法地址异常
modbus_tx_buffer[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
modbus_tx_buffer[1] = func_code | 0x80; // 异常标识（最高位置1）
modbus_tx_buffer[2] = MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_DATA_ADDR;
modbus_tx_len = 3;
Modbus_SendResponse(modbus_tx_buffer, modbus_tx_len);
break;
}
// 构建响应帧
modbus_tx_buffer[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
modbus_tx_buffer[1] = func_code;
modbus_tx_buffer[2] = reg_count * 2; // 返回字节数（每个寄存器2字节）
for (uint16_t i = 0; i < reg_count; i++) {
uint16_t value = Modbus_ReadRegister(start_addr + i);
modbus_tx_buffer[3 + i * 2] = (value >> 8) & 0xFF; // 高字节
modbus_tx_buffer[4 + i * 2] = value & 0xFF; // 低字节
}
modbus_tx_len = 3 + reg_count * 2;
Modbus_SendResponse(modbus_tx_buffer, modbus_tx_len);
break;
}
case MODBUS_FUNC_WRITE_SINGLE_REG: {
// 解析目标寄存器地址和写入值
uint16_t reg_addr = (modbus_rx_buffer[2] << 8) | modbus_rx_buffer[3];
uint16_t value = (modbus_rx_buffer[4] << 8) | modbus_rx_buffer[5];
// 校验地址范围
if (reg_addr >= 100) {
modbus_tx_buffer[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
modbus_tx_buffer[1] = func_code | 0x80;
modbus_tx_buffer[2] = MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_DATA_ADDR;
modbus_tx_len = 3;
Modbus_SendResponse(modbus_tx_buffer, modbus_tx_len);
break;
}
// 写入寄存器
Modbus_WriteRegister(reg_addr, value);
// 返回确认帧（原样返回地址和值）
modbus_tx_buffer[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
modbus_tx_buffer[1] = func_code;
modbus_tx_buffer[2] = (reg_addr >> 8) & 0xFF;
modbus_tx_buffer[3] = reg_addr & 0xFF;
modbus_tx_buffer[4] = (value >> 8) & 0xFF;
modbus_tx_buffer[5] = value & 0xFF;
modbus_tx_len = 6;
Modbus_SendResponse(modbus_tx_buffer, modbus_tx_len);
break;
}
default:
// 不支持的功能码，返回非法功能异常
modbus_tx_buffer[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
modbus_tx_buffer[1] = func_code | 0x80;
modbus_tx_buffer[2] = MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_FUNCTION;
modbus_tx_len = 3;
Modbus_SendResponse(modbus_tx_buffer, modbus_tx_len);
break;
}
modbus_rx_len = 0; // 清空接收缓冲区
}
2.3 主程序与中断处理（main.c）
通过串口中断接收数据，主循环处理协议帧，是STM32端的“入口”：
#include "main.h"
#include "modbus.h"
#include "usart.h"
uint8_t modbus_rx_buffer[256];
uint16_t modbus_rx_len = 0;
int main(void) {
/* 初始化HAL库 */
HAL_Init();
/* 配置系统时钟（72MHz） */
SystemClock_Config();
/* 初始化USART1（9600 8N1） */
MX_USART1_UART_Init();
/* 初始化Modbus寄存器 */
Modbus_Init();
/* 使能串口接收中断（每次接收1字节） */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, modbus_rx_buffer, 1);
/* 主循环 */
while (1) {
/* 接收到完整帧后处理 */
if (modbus_rx_len >= 3) {
Modbus_Process();
}
HAL_Delay(10); // 降低CPU占用
}
}
/* 串口接收中断回调函数 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
if (huart->Instance == USART1) {
// 存储接收到的字节
modbus_rx_buffer[modbus_rx_len++] = modbus_rx_buffer[0];
// 缓冲区溢出保护
if (modbus_rx_len >= 256) modbus_rx_len = 0;
// 重新开启中断，等待下一字节
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, modbus_rx_buffer, 1);
}
}
三、硬件连接与配置
3.1 关键连接（RS485模块）
| STM32引脚 | RS485模块引脚 | 说明 |
|---|---|---|
| PA9（USART1_TX） | DI | 数据发送 |
| PA10（USART1_RX） | RO | 数据接收 |
| PA8（GPIO） | DE/RE | 收发方向控制（高电平发送，低电平接收） |
| GND | GND | 共地（必须连接，否则通信异常） |
3.2 串口配置
- 波特率：9600（工业常用，可根据需求修改）
- 数据位：8
- 停止位：1
- 校验位：无
- 流控：无
四、测试步骤与效果
4.1 测试工具
推荐使用Modbus Poll（Windows）或QModMaster（跨平台），配置如下：
- 选择串口模式（RTU），绑定USB转串口的COM口；
- 波特率9600、数据位8、停止位1、无校验；
- 从站地址：1（与代码中MODBUS_SLAVE_ADDR一致）。
4.2 测试操作
| 测试项 | 操作步骤 | 预期结果 |
|---|---|---|
| 读取温度 | 功能码03，起始地址0，寄存器数量1 | 返回2500（对应25.00℃） |
| 读取湿度 | 功能码03，起始地址1，寄存器数量1 | 返回6000（对应60.00%） |
| 写入温度 | 功能码06，地址0，写入值2400 | 寄存器0的值变为2400（24.00℃） |
五、扩展与优化建议
- 功能码扩展：增加01（读线圈）、02（读离散输入）、16（写多个寄存器）支持；
- 硬件优化：DE/RE引脚通过代码自动控制（发送前置高，发送完成后置低）；
- 数据可靠性：添加帧超时判断（Modbus RTU帧间隔>3.5字符时间视为帧结束）；
- 多从站支持：通过配置从站地址，实现单总线多设备通信；
- 实际传感器对接：将模拟寄存器替换为DS18B20（温度）、DHT11（温湿度）等真实传感器数据；
- Modbus TCP扩展：结合ETH模块，实现Modbus TCP/IP协议。
六、核心知识点总结
- Modbus RTU帧结构：从站地址(1B) + 功能码(1B) + 数据(NB) + CRC16(2B)；
- 中断驱动通信：STM32串口中断接收避免轮询占用CPU，提高实时性；
- CRC16校验：Modbus协议的“安全锁”，确保数据传输不被篡改；
- 寄存器映射：工业协议的核心思想，通过地址映射实现数据交互标准化。
结语
本文实现的Modbus RTU从站协议栈是工业嵌入式开发的基础框架，掌握该协议不仅能应对工业通信场景，也能理解串行通信、协议解析、数据校验等核心嵌入式开发思想。实际项目中，可根据需求扩展功能、优化性能，适配不同的工业传感器和控制器。
如果本文对你有帮助，欢迎点赞+收藏+关注，后续会更新更多STM32工业通信实战内容！
🎁欢迎关注，获取更多技术干货！
公众号：BackCatK Chen，文章末尾可以扫码关注
🎁资料包亮点
这份资料包涵盖了从硬件电路设计到STM32单片机开发，再到Linux系统学习的全链路内容，适合不同阶段的学习者：
- 硬件基础：包含硬件电路合集、硬件设计开发工具包，帮你打牢底层基础。
- STM32专项：从环境搭建、开发工具、传感器模块到项目实战，还有书籍和芯片手册，一站式搞定STM32学习。
- C语言进阶：C语言学习资料包，助你掌握嵌入式开发的核心语言。
- 面试求职：嵌入式面试题合集，提前备战技术面试。
- Linux拓展：Linux相关学习资料包，拓宽技术视野。
📂资料包目录
- 00-STM32单片机环境搭建
- 01-硬件电路合集
- 02-硬件设计开发工具包
- 03-C语言学习资料包
- 04-STM32单片机开发工具包
- 05-STM32传感器模块合集
- 06-STM32项目合集
- 07-STM32单片机书籍&芯片手册
- 08-Linux相关学习资料包
智能硬件社区聚焦AI智能硬件技术生态，汇聚嵌入式AI、物联网硬件开发者，打造交流分享平台，同步全国赛事资讯、开展 OPC 核心人才招募，助力技术落地与开发者成长。
更多推荐
54
0- 0
已为社区贡献41条内容
所有评论(0)