基于ARM Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用

在外设初始过程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信参数为：波特率9 600 kb·s-1，8位数据位，2位停止位，无奇偶校验；其次，还需初始化STM32F103ZET6的GPI01为输出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUSRTU采用时间标记的方式进行协议帧的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定时器TIM2用以判定数据帧的结束，而MODBUSRTU中T3.5在工程应用通常取4个字符发送时间，因此设置TIM2的溢出时间为3 ms；最后，为处理可能的总线延迟等通信故障，本文使用了系统定时器SysTick作超时判定，综合考虑到变频器动作时间、通信延迟等因素，超时判定的时间阈值取200 ms。

3MODBUS协议实现
在变频调速系统中，STM32F103ZET6作为主节点负责变频调速系统的功能控制，而变频器F2000-G作为MODBUS从节点负责响应主节点的请求，完成对交流电机的运动控制。因此本文中变频调速系统为基于MODBUS协议的主节点程序实现，MODBUS协议主要分为3部分：数据帧发送，数据帧接收和数据帧处理。
3．1 数据帧发送
发送数据时，必须将请求操作封装成标准的MODBUS协议帧才能成功进行发送，即MODBUS协议的编码。由前所述，数据协议单元PDU包括功能码和数据码，PDU的封装可以归纳为将操作类型和操作参数作为参数封装成PDU。构建PDU之后，在数据帧头部加入从机的地址，再将CR-C16校验值写入数据帧尾部即构成完整的应用数据单元ADU。
MODBUS中使用CRC16作为冗余校验，按照循环冗余检验算法，使用标准16位生成多项式，可对任意长度的信息字段校验出一个16位的校验码。其程序流程可描述如下：
(1)初始化一个16位寄存器，所有位进行置1。
(2)该16位寄存器与待校验数据串中第1 Byte的数据进行异或，结果存回该寄存器。
(3)该16位寄存器右移一位。
(4)若该寄存器右移移出位为1，则与校验多项式0A001H异或，否则重复步骤3。
(5)重复步骤3和步骤4直到该Byte的8位数据均处理完毕。
(6)取数据串中下一个数据与该16位数据进行异或结果存回寄存器。
(7)重复步骤3～步骤6，直到待校验数据串中所有的字节数据均处理完毕。
(8)该16位寄存器中数据即CRC16的最终校验结果，加至数据帧末端。
因为STM32F103ZET6芯片内USART3无硬件FIFO的特点，所以需要软件上使用队列的数据结构作为发送缓冲和接收缓冲，以此进行串行口的收发任务。因此，在工作模式上USART3的发送采用查询式发送，一次性将发送缓冲区中的数据依次循环地发送出去，即队列的出队操作；而其接收模式为中断式，在USART3每次接收中断的响应函数中，软件按时间先后顺序将数据写入接收缓冲区内，即队列的入队操作。
3．2 数据帧接收
在发送完请求帧后，STM32F103ZET6通过GPIO操作总线的收／发使能端，将RS485总线由发送状态改为监听状态。在监听过程中SMT32F1-03ZET6完成变频器F2000-G应答帧的接收。
由于MODBUS RTU应答帧判定采取了时间标记法，因此本程序中使用了TM2作为触发器进行时间管理。在接收过程中，USART3每次接收中断对TM2进行复位操作以避免TIM2的溢出中断；而当总线空闲了3．5个字符的发送时间后，TM2由于缺少USART3的复位，将产生溢出中断，在中断响应中完成关闭USART3结束数据通信和置应答帧接收完成标志位的操作。这种时间标记的程序均在后台中断中完成，主程序只需查询接收完成标志位即可。
另一方面，由于从节点F2000-G可能存在着超时、无应答等通信故障，这就需要主节点STM32F103ZET6进行超时检测。在STM32F103ZE6中，SysTick作为系统定时器，在芯片启动后就以后台方式运行，按ms计时并实时更新系统时间。因此在MODBUS RTU的超时判断中，主程序可以利用该时钟，循环地查询当前时刻，并和发送完请求帧的起始时刻比较，若阈值时间200 ms内仍然未收到请求帧，则认为通信失败，返回应答超时码。
3．3 数据帧处理
在完成数据帧正确接收的基础上，STM32F0103ZET6必须进行应答帧处理，即MODBUS协议帧的解码。系统从接收缓冲区中读取应答帧。首先提取ADU进行地址码和CRC校验码的判定；其次，再从PDU中提取ADU进行数据长度、功能码、数据码的判定；最后，如果校验失败则返回相应的校验失败码，若校验成功，则继续从ADU／PDU中提取的数据进行处理，完成变频调速的各种功能操作。最终，整个协议实现的软件流程如图3所示。