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Modbus-RTU之C语言实现

news 来源：原创 2024/9/22 1:25:35

Modbus-RTU之C语言实现

  • Modbus-RTU之C语言实现
    • 引言
    • Modbus-RTU的C语言实现
      • 说明
      • .h 文件
      • .c 文件
    • 总结

Modbus-RTU之C语言实现

引言

前面我们介绍过Modbus-RTU传输协议（RS-485软件层协议之Modbus-RTU），它是一种基于串口的通信协议。在这一节我们将介绍C语言实现Modbus-RTU传输协议。

Modbus-RTU的C语言实现

根据上面提到的文章我们可以知道，Modbus-RTU（下文简称Modbus）基本构成是地址码、功能码、数据域和校验码。地址码是用来标识设备的。功能码是用来标识设备的具体功能。数据域是用来传输数据的。校验码是用来对数据域进行校验的。

我们下面将头文件、源文件用C语言代码来实现Modbus的通信协议部分。

说明

由于不同项目使用的单片机、硬件外设及连接不同，所以这里不对硬件层初始化进行举例，仅对Modbus协议层进行介绍、举例。

本文CRC-16校验以低字节在前为例。

具体硬件连接示意图如下图所示:

在这里插入图片描述

.h 文件

正式编写之前我们首先定义地址码和功能码，方便后面的使用。

//定义设备地址，仅举例用，根据实际情况定义
#define MASTER_ADDRESS          0x01     //本机地址为0x01
#define SLAVE1_ADDRESS          0x02     //从机1地址为0x02
#define SLAVE2_ADDRESS          0x03     //从机2地址为0x03
//定义功能码
#define READ_COIL_REG           0x01     //读线圈
#define READ_DIS_INPUT_REG      0x02     //读离散输入
#define READ_HOLD_REG           0x03     //读保持寄存器
#define READ_INPUT_REG          0x04     //读输入寄存器
#define WRITE_SIN_COIL_REG      0x05     //写单个线圈
#define WRITE_SIN_HOLD_REG      0x06     //写单个保持寄存器
#define WRITE_MULT_COIL_REG     0x0F     //写多个线圈
#define WRITE_MULT_HOLD_REG     0x10     //写多个保持寄存器
//定义会操作到的寄存器地址，仅举例用，根据实际情况定义
#define DEV_SWITCH_REG          0x00    //设备开关状态寄存器
#define DEV_TEMP_REG            0x01    //设备温度寄存器typedef struct {uint8_t frame[256];     //存放打包后或解析前的帧数据uint8_t address;        //设备地址uint8_t function;       //功能码uint16_t reg_addr;      //当操作单个寄存器时存放寄存器地址，当操作多个寄存器时存放起始地址uint16_t reg_num;       //当操作多个寄存器时存放操作寄存器数量uint8_t byte_num;       //写入或返回数据的字节数uint8_t data[250];      //数据域uint16_t crc;           //校验码uint16_t frame_len;     //打包帧时存放帧有效长度，方便串口发送用；解析帧时存放数据域有效数据长度，方便使用
} stc_modbus;//Modbus状态
static enum {SUCCESS = 0,ERROR
} ModbusStatus;

接下来就是定义函数了。

我们回想一下Modbus的传输流程，其实是很简单的，除了硬件方面的初始化之外，通信方面主要包括：打包数据，加校验码，发送数据，接收数据，解析数据，然后校验数据。

那我们就根据这个流程定义一下函数吧。
注：具体发送、接收调用的函数依读者项目情况而不同而不同，本文不再体现，读者直接使用本文定义的结构体形式来调用本文函数处理数据即可。


//Modbus初始化
uint8_t ModbusInit(void); 
//打包数据
uint8_t ModbusPackData(stc_modbus *pstcModbus);
//解析数据
uint8_t ModbusParseData(stc_modbus *pstcModbus);
//CRC查表法计算
uint16_t CRC16table(uint8_t *ptr, uint16_t len);

.c 文件

下面我们将.h文件里声明的函数一一定义，这样就可以实现Modbus的完整c语言代码了。

首先是Modbus初始化函数：


//Modbus初始化
uint8_t ModbusInit(void)
{/***************************************************************************** 初始化硬件* 例如上图使用串口与485芯片相连，则此步骤主要为串口初始化* 主要流程为串口时钟初始化、串口配置、串口中断配置等* 由于不同项目使用的单片机、硬件外设及连接不同，所以这里不对硬件层初始化进行举例****************************************************************************/return SUCCESS;
}

接着我们定义打包数据函数：


//打包数据,将pstcModbus结构体内相关元素根据不同功能码帧结构存入发送帧缓存，并加CRC校验
//函数运行完毕后可根据pstcModbus.frame_len直接调用串口发送函数发送指定字节数的帧数据
uint8_t ModbusPackData(stc_modbus *pstcModbus)
{uint16_t i   =   0;uint16_t crc    =   0;//将地址、功能码、操作寄存器地址或首地址存入帧，任何功能码此部分相同pstcModbus->frame[0]    =   pstcModbus->address;pstcModbus->frame[1]    =   pstcModbus->function;pstcModbus->frame[2]    =   (pstcModbus->reg_addr >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[3]    =   pstcModbus->reg_addr & 0xFF;//判断功能码，并根据不同功能码进行处理switch (pstcModbus->function) {//读线圈/离散输入/保持寄存器/输入寄存器帧格式在寄存器地址或首地址后均是读取数量、CRC,故可以将case条件合并case READ_COIL_REG:case READ_DIS_INPUT_REG:case READ_HOLD_REG:case READ_INPUT_REG://存放读取数量pstcModbus->frame[4]    =   (pstcModbus->reg_num >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[5]    =   pstcModbus->reg_num & 0xFF;//CRC计算crc    =   CRC16table(pstcModbus->frame, 6);//存放CRC校验码pstcModbus->frame[6]    =   (crc >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[7]    =   crc & 0xFF;//帧长度pstcModbus->frame_len    =   8;break;//写单个寄存器线圈/保持寄存器帧格式在寄存器地址后均是写入数据、CRC,故可以将case条件合并case WRITE_SIN_COIL_REG:case WRITE_SIN_HOLD_REG://存入要写入寄存器的数据pstcModbus->frame[4]    =   pstcModbus->data[0];pstcModbus->frame[5]    =   pstcModbus->data[1];//CRC计算crc    =   CRC16table(pstcModbus->frame, 6);//存放CRC校验码pstcModbus->frame[6]    =   (crc >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[7]    =   crc & 0xFF;//帧长度pstcModbus->frame_len    =   8;break;//写多个线圈/保持寄存器帧格式在寄存器地址后均是写入寄存器数量、写入数据、CRC,故可以将case条件合并case WRITE_MULT_COIL_REG:case WRITE_MULT_HOLD_REG://存放写入寄存器数量pstcModbus->frame[4]    =   (pstcModbus->reg_num >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[5]    =   pstcModbus->reg_num & 0xFF;//存放写入数据字节数pstcModbus->frame[6]    =   pstcModbus->byte_num;//存放写入数据for(i=0;i<pstcModbus->byte_num;i++)pstcModbus->frame[7+i]    =   pstcModbus->data[i];//CRC计算crc    =   CRC16table(pstcModbus->frame, pstcModbus->byte_num+7);//存放CRC校验码pstcModbus->frame[pstcModbus->byte_num+7]    =   (crc >> 8) & 0xFF;pstcModbus->frame[pstcModbus->byte_num+8]    =   crc & 0xFF;//帧长度pstcModbus->frame_len    =   pstcModbus->byte_num+9;break;default:break;}return SUCCESS;
}

然后我们再定义解析数据函数：


//解析数据，将帧缓存中的数据解析到pstcModbus结构体相关元素中
//帧缓存数据可以来自串口接收
//此函数运行完毕后可根据pstcModbus结构体内的功能码读取结构体内有用的数据
uint8_t ModbusParseData(stc_modbus *pstcModbus)
{uint8_t sta    =   ERROR;  uint16_t i   =   0; uint16_t crc    =   0;//将帧缓存中不同功能码共有的元素解析到pstcModbus结构体对应元素：设备地址、功能码pstcModbus->address    =   pstcModbus->frame[0];pstcModbus->function   =   pstcModbus->frame[1];//判断功能码，并根据不同功能码进行处理switch (pstcModbus->function) {//读线圈/离散输入/保持寄存器/输入寄存器帧格式在功能码后均是返回的读取字节数量、返回的读取数据、CRC,故可以将case条件合并case READ_COIL_REG:case READ_DIS_INPUT_REG:case READ_HOLD_REG:case READ_INPUT_REG://存放接收帧中的返回数据域字节数量pstcModbus->byte_num    =   pstcModbus->frame[2];//将接收帧中的返回数据域数据存入 pstcModbus->data[i]for(i=0;i<pstcModbus->byte_num;i++)pstcModbus->data[i]    =   pstcModbus->frame[3+i];//根据有原始帧数据进行CRC计算并与接收的CRC进行验证crc    =   ((pstcModbus->frame[pstcModbus->byte_num+3]&0x00FF)  <<8);crc    |=  (pstcModbus->frame[pstcModbus->byte_num+4]&0x00FF);pstcModbus->frame_len    =   pstcModbus->byte_num;if(crc == CRC16table(pstcModbus->frame, pstcModbus->byte_num+3))sta    =   SUCCESS;break;//写单个寄存器线圈/保持寄存器帧格式在功能码后均是写入寄存器地址、写入的数据、CRC,故可以将case条件合并case WRITE_SIN_COIL_REG:case WRITE_SIN_HOLD_REG://存放接收帧中的寄存器地址、数据域数据pstcModbus->address    =   ((pstcModbus->frame[2]&0x00FF) <<8);pstcModbus->address    |=  (pstcModbus->frame[3]&0x00FF);pstcModbus->data[0]    =   pstcModbus->frame[4];pstcModbus->data[1]    =   pstcModbus->frame[5];pstcModbus->frame_len    =   2;//根据有原始帧数据进行CRC计算并与接收的CRC进行验证crc    =   ((pstcModbus->frame[6]&0x00FF)  <<8);crc    |=  (pstcModbus->frame[7]&0x00FF);if(crc == CRC16table(pstcModbus->frame, 6))sta    =   SUCCESS;break;//写多个线圈/保持寄存器帧格式在功能码后均是写入寄存器地址、操作的寄存器数量、CRC,故可以将case条件合并case WRITE_MULT_COIL_REG:case WRITE_MULT_HOLD_REG://存放接收帧中的寄存器地址、操作的寄存器数量pstcModbus->address    =   ((pstcModbus->frame[2]&0x00FF) <<8);pstcModbus->address    |=  (pstcModbus->frame[3]&0x00FF);pstcModbus->reg_num    =   ((pstcModbus->frame[4]&0x00FF) <<8);pstcModbus->reg_num    |=  (pstcModbus->frame[5]&0x00FF);//根据有原始帧数据进行CRC计算并与接收的CRC进行验证crc    =   ((pstcModbus->frame[6]&0x00FF)  <<8);crc    |=  (pstcModbus->frame[7]&0x00FF);if(crc == CRC16table(pstcModbus->frame, 6))sta    =   SUCCESS;break;default:break;}return sta;
}

最后我们定义一下CRC校验相关函数：


/* CRC高字节表 */
const static uint8_t crctableh[] = {0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81,0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,0x40
};
/* CRC低字节表 */
const static uint8_t crctablel[] = {0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4,0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD,0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7,0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE,0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2,0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB,0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91,0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88,0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80,0x40
};
//CRC查表函数，返回CRC-16校验码低字节在前
uint16_t CRC16table(uint8_t *ptr, uint16_t len)
{uint8_t crch = 0xFF;uint8_t crcl = 0xFF; uint16_t index;while (len--) {index = crcl ^ *ptr++; crcl = crch ^ crctableh[index];crch = crctablel[index];}return ((uint16_t)(crch | crcl << 8));
}

总结

本文针对Modbus-RTU协议的C语言实现进行了核心部分的讲解及例程编写，包括初始化、数据打包、数据解析、CRC校验等部分。移植此代码加入相关处理文件，可根据本文定义参数直接调用本文函数来解决Modbus-RTU协议部分。但仍需读者根据数据进行业务处理，例如，根据数据解析出设备地址、功能码、寄存器地址、寄存器数量、数据域等信息，然后进行业务处理。

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