手把手教你把 Modbus RTU 移植到 STM32F1：从零构建 RS485 通信从站
在工业现场，你是否遇到过这样的场景——多个传感器分布在几十米甚至上百米外，需要统一上传数据，但用 Wi-Fi 不稳定、CAN 成本高、RS232 又只能点对点？这时候，RS485 + Modbus RTU就是你的最佳选择。
而如果你正在使用STM32F103系列（比如经典的“蓝丸”板），那恭喜你，这颗芯片完全具备实现稳定 Modbus 从机的能力。本文不讲空话，不堆术语，带你一步步完成Modbus RTU 协议栈的完整移植，涵盖串口配置、半双工控制、帧边界识别、CRC 校验和功能码响应等核心环节，最终让你的 STM32 能被 ModScan、组态王这类上位机软件准确读写。
为什么是 RS485？为什么选 Modbus？
先说清楚我们为什么做这件事。
工业环境复杂：干扰大、距离远、设备多。RS485 采用差分信号传输，A/B 两线压差决定逻辑电平，天生抗共模干扰。它支持总线式拓扑，一条线上挂 32 个节点（通过高阻收发器可扩展到 256），最长通信距离可达1200 米（低速下），非常适合分布式采集系统。
Modbus 则是工业界的“普通话”。它简单、开放、无版权，绝大多数 PLC、HMI、SCADA 系统都原生支持。其中Modbus RTU使用二进制编码，比 ASCII 更紧凑高效，是嵌入式系统的首选。
两者结合，构成了最经济可靠的工业通信方案之一。
硬件怎么接？别让接线毁了你的努力
再好的软件也架不住硬件翻车。典型的 STM32F1 + MAX485 接法如下：
STM32F103C8T6 MAX485 PA9 (USART1_TX) ──→ RO (接收输出，不用) PA10 (USART1_RX) ←── DI (发送输入) PB6 (GPIO_DIR) ───→ DE/RE (方向控制) A ────────────────→ RS485_A B ────────────────→ RS485_B GND ───────────────→ GND关键点：
-DE 和 RE 脚通常短接，由一个 GPIO 控制收发方向。
-总线两端必须并联 120Ω 终端电阻，抑制信号反射，尤其是超过 10 米时。
-所有设备共地，避免地电位差导致通信异常。如果无法共地，建议加磁隔离模块（如 ADM2483）。
-电源去耦不可少：MAX485 旁务必加 0.1μF 陶瓷电容。
-防雷击保护：户外应用可在 A/B 线间加 TVS 二极管（如 SMAJ5.0A）。
半双工控制：别让 MCU “自言自语”
RS485 是半双工，同一时刻只能发或收。STM32 发完一帧后必须立刻切回接收模式，但这里有个坑：你得等最后一个 bit 完全送出后再切换方向，否则末尾数据可能被自己收到，造成干扰。
错误示范：
RS485_DIR_TX(); USART_Send(data, len); RS485_DIR_RX(); // ❌ 错了！此时数据可能还在移位寄存器里正确做法是等待发送完成标志（TC），再加一点安全延时：
void rs485_send(uint8_t *data, uint8_t len) { RS485_DIR_TX(); // 拉高 DE/RE，进入发送模式 for (int i = 0; i < len; i++) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待数据寄存器空 USART1->DR = data[i]; } while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); // ✅ 关键：等待整个帧发送完毕 delay_us(500); // 延时确保波形彻底结束（根据波特率调整） RS485_DIR_RX(); // 切回接收 }这个delay_us(500)很重要。比如在 9600bps 下，1bit ≈ 104μs，3.5 字符时间约 3.67ms。我们只延时 500μs，是因为 TC 标志已保证数据发出，这只是保险起见。
如何判断一帧数据结束了？定时器来帮你
Modbus RTU 没有明确的起始/结束标志，而是靠帧间空闲时间 ≥ 3.5 个字符时间来界定帧边界。
举个例子：9600bps，每个字符 10bit（8N1），则 1 字符时间 = 1.04ms，3.5 字符 ≈ 3.67ms。只要两个字节之间的间隔超过这个值，就认为上一帧结束了。
怎么实现？USART 接收中断 + 定时器超时检测是最可靠的方法。
步骤拆解：
- 收到第一个字节 → 启动定时器（初值设为 3.67ms）
- 后续每收到一个字节 → 清零定时器重新计时
- 定时器溢出 → 触发“帧结束”事件 → 进入协议解析
这样即使中断延迟了几微秒，也能准确捕获完整帧。
配置 TIM3 作为帧超时检测器：
void timer3_init(uint32_t baudrate) { RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN; uint32_t prescaler = SystemCoreClock / 1000000 - 1; // 1MHz 计数频率 uint32_t arr = ((1000000 * 10) / baudrate) * 3.5; // 3.5 字符时间（us） TIM3->PSC = prescaler; TIM3->ARR = arr; TIM3->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 允许更新中断 TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 先不启动，等收到第一字节再开 }USART 中断中重置定时器：
void USART1_IRQHandler(void) { if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { uint8_t data = USART1->DR; ring_buffer_push(&rx_buf, data); // 第一次收到数据，启动定时器；否则重置 if (!TIM3->CR1 & TIM_CR1_CEN) { TIM3->CNT = 0; TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; } else { TIM3->CNT = 0; // 自动清零即可 } } }定时器溢出处理帧结束：
void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) { TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF; TIM3->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN; // 停止计时 modbus_frame_complete(); // 处理完整帧 } }这套机制非常稳健，能应对各种波特率偏差和中断抖动。
CRC16 校验：通信正确的最后一道防线
Modbus RTU 要求每一帧末尾附加2 字节 CRC16，低位在前。收到数据后必须先校验，通过才处理，否则静默丢弃。
标准多项式：x^16 + x^15 + x^2 + 1，对应 0x8005，常用反向查表法加速。但对于 STM32F1 这类资源有限的平台，直接计算也完全够用。
uint16_t modbus_crc16(uint8_t *buf, int len) { uint16_t crc = 0xFFFF; for (int i = 0; i < len; i++) { crc ^= buf[i]; for (int j = 0; j < 8; j++) { if (crc & 1) { crc = (crc >> 1) ^ 0xA001; } else { crc >>= 1; } } } return crc; }使用时注意：校验范围不包含 CRC 自身。例如收到 8 字节数据，应拿前 6 字节计算 CRC，与最后 2 字节对比。
uint16_t received_crc = (frame[7] << 8) | frame[6]; uint16_t calc_crc = modbus_crc16(frame, 6); if (received_crc != calc_crc) { return; // CRC 错误，丢弃 }功能码怎么响应？别被 0x03 和 0x10 弄晕
Modbus 主从架构中，STM32 作为从机，只需被动响应主站请求。常见功能码包括：
| 功能码 | 名称 | 用途 |
|---|---|---|
| 0x03 | 读保持寄存器 | 最常用，读配置或状态 |
| 0x06 | 写单个保持寄存器 | 设置参数 |
| 0x10 | 写多个保持寄存器 | 批量写入 |
| 0x01 | 读线圈 | 读开关量输出 |
| 0x02 | 读输入状态 | 读开关量输入 |
以0x03为例，主站发：
[01][03][00][00][00][02][CRC] 地址 功能 起始地址 数量从机需返回：
[01][03][04][XX][XX][XX][XX][CRC] 数据长度=4 实际数据代码结构建议分层处理：
void modbus_frame_complete(void) { uint8_t *frame = rx_buffer.data; uint8_t len = rx_buffer.count; if (len < 6) return; // 最小帧长 if (frame[0] != DEVICE_ADDR && frame[0] != 0x00) return; // 地址不匹配 uint16_t crc_rcv = (frame[len-1] << 8) | frame[len-2]; uint16_t crc_cal = modbus_crc16(frame, len-2); if (crc_cal != crc_rcv) return; // CRC 错误 modbus_handle_request(frame, len); // 解析并响应 }void modbus_handle_request(uint8_t *req, int len) { uint8_t func = req[1]; switch (func) { case 0x03: handle_read_holding(req); break; case 0x06: handle_write_single_reg(req); break; case 0x10: handle_write_multiple_regs(req); break; default: send_exception(func, 0x01); // 非法功能码 break; } }寄存器数据建议用数组映射：
uint16_t holding_registers[100]; // 对应 40001~40100 void handle_read_holding(uint8_t *req) { uint16_t start = (req[2] << 8) | req[3]; uint16_t count = (req[4] << 8) | req[5]; if (start >= 100 || count == 0 || start + count > 100) { send_exception(0x03, 0x02); // 非法数据地址 return; } uint8_t resp[256] = {0}; resp[0] = req[0]; // 从站地址 resp[1] = 0x03; resp[2] = count * 2; for (int i = 0; i < count; i++) { resp[3 + i*2] = holding_registers[start + i] >> 8; resp[3 + i*2 + 1] = holding_registers[start + i] & 0xFF; } uint16_t crc = modbus_crc16(resp, 3 + count*2); resp[3 + count*2] = crc & 0xFF; resp[4 + count*2] = crc >> 8; rs485_send(resp, 5 + count*2); }实战案例：做个温湿度从站，让 ModScan 能读到数据
假设你用 STM32F103C8T6 接了一个 SHT30 温湿度传感器（I2C），现在要把它变成 Modbus 从站。
寄存器映射设计：
| Modbus 地址 | 含义 | 类型 | 存储位置 |
|---|---|---|---|
| 40001 | 温度 | Holding | holding_reg[0] |
| 40002 | 湿度 | Holding | holding_reg[1] |
| 40003 | 报警阈值 | Holding | holding_reg[2] |
主循环定时读取 SHT30 并更新寄存器：
int main(void) { system_init(); modbus_init(); while (1) { float temp, humi; sht30_read(&temp, &humi); holding_registers[0] = (int)(temp * 10); // 30.5°C → 305 holding_registers[1] = (int)(humi * 10); // 65.2% → 652 delay_ms(1000); // 每秒更新一次 } }上位机用 ModScan 发送：
01 03 00 00 00 02 C4 0B你的 STM32 应返回：
01 03 04 01 2C 02 8F XX XX（假设温度 30.0°C，湿度 65.5%）
踩过的坑和避坑指南
❌ 问题 1：总是收不到数据
- 检查 MAX485 的 DE/RE 是否接反？
- 是否忘了初始化 USART 的 RX 引脚？
- 波特率是否一致？STM32 默认内部时钟不准，务必使用外部晶振。
❌ 问题 2：帧拆分错误，数据错乱
- 定时器 ARR 值算错了？确认按当前波特率动态设置。
- 中断优先级太低？将 USART 和 TIM 中断设为较高优先级。
❌ 问题 3：发送后总线冲突
- 方向切换太快！确保等
TC标志再切回接收。 - 多个设备同时发？检查是否只有一个主站。
✅ 最佳实践总结：
- 地址可配：通过按键或 EEPROM 设置从站地址。
- 看门狗必开：用 IWDG 防止程序卡死。
- 低功耗优化：空闲时进 Sleep，中断唤醒。
- 日志指示：用 LED 快闪表示接收，慢闪表示发送。
- 预留升级接口：Bootloader 支持远程固件更新。
写在最后：这不是终点，而是起点
当你第一次看到 ModScan 成功读出寄存器数值时，那种成就感是真实的。但这只是开始。
掌握了 RS485 + Modbus RTU，你就打通了工业通信的任督二脉。下一步可以尝试：
- 实现 Modbus TCP over ENC28J60
- 移植 FreeRTOS 实现多任务调度
- 加入 OTA 远程升级
- 封装成通用库，一键移植到新项目
核心技术关键词回顾：
Modbus RTURS485 半双工帧间隔检测CRC16 校验STM32F1 USART定时器同步功能码解析寄存器映射工业通信主从架构
如果你也在做类似的项目，欢迎留言交流调试心得。毕竟，每一个成功的通信背后，都藏着无数个“为什么收不到”的深夜。
