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STM32主站与从站间RS485 Modbus通信实战：从原理到代码的完整实现

在工业现场，你是否曾遇到过这样的问题：多个传感器分布在几十米外，用普通串口通信总是丢包、误码？或者调试时发现数据“粘在一起”，根本分不清哪一帧是哪个设备发的？

别担心，这正是RS485 + Modbus的主场。今天我们就以STM32为核心，手把手带你搭建一个稳定可靠的主从式通信系统——不仅讲清楚底层逻辑，还会给出可直接移植的源代码框架，让你少走弯路。

为什么选 RS485 + Modbus？它真的适合你的项目吗？

先泼一盆冷水：如果你的应用只需要两个设备短距离通信（比如板内模块之间），那用UART就够了；如果对实时性要求极高（如电机控制），CAN总线更合适。

但如果你面对的是以下场景：

• 多个节点组网（>2个）
• 传输距离超过10米
• 工业环境存在强干扰
• 需要和HMI、PLC等设备互通

那么，RS485跑Modbus RTU协议，依然是性价比最高、最稳妥的选择。

它凭什么能扛住工厂里的电磁风暴？

RS485不是协议，而是一种物理层标准。它的核心优势在于差分信号传输：

• A/B两根线传输相反的电平
• 接收端只关心两者之间的电压差（通常为±1.5V以上有效）
• 共模噪声（比如电源波动）会被天然抑制

这就像是两个人打电话，背景噪音再大，只要他们听清彼此声音的“差异”，就能正常交流。

再加上终端电阻匹配阻抗、手拉手布线，轻松实现1200米无中继通信，远胜于RS232的15米极限。

而Modbus，则是在这个“高速公路”上跑的“交通规则”。它简单、开放、工具链成熟，几乎所有的工控软件都支持它。

关键技术拆解：如何让STM32高效跑起Modbus？

我们不堆术语，直接切入三个最关键的实战环节。

一、RS485 半双工控制：别让DE脚毁了整个通信

RS485芯片（如MAX485）有个方向控制引脚：DE（发送使能）和RE（接收使能）。多数情况下把DE和RE接在一起，由MCU的一个GPIO控制。

看似简单，但这里有个致命陷阱：
什么时候关闭DE？

常见错误做法：

HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, len, 100); HAL_GPIO_WritePin(DE_GPIO, DE_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 立即关闭！错！

问题出在哪？HAL_UART_Transmit只是把数据扔进发送寄存器，硬件还没发完呢，你就关掉了DE，结果最后一两个字节（尤其是CRC！）根本没发出去！

✅ 正确做法：等DMA传输完成后再关DE

// 发送前开启发送模式 HAL_GPIO_WritePin(DE_GPIO, DE_PIN, GPIO_PIN_SET); // 启动DMA发送 HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_frame, frame_len);

然后在DMA发送完成中断里关闭DE：

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart == &huart1) { // 延迟几个微秒确保最后一个bit发出 delay_us(5); HAL_GPIO_WritePin(DE_GPIO, DE_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 重新启动DMA接收，监听下一帧 modbus_start_dma_receive(); } }

📌 小贴士：使用定时器产生精确延时（如TIM6），避免__delay_cycles()依赖编译优化。

二、Modbus RTU帧解析：如何准确切分每一帧？

Modbus RTU规定：帧与帧之间必须有至少3.5个字符时间的空闲间隔。例如9600bps下，每个字符11位（起始+8数据+停止），3.5字符 ≈ 4ms。

传统方法靠定时器轮询接收缓冲区，既耗CPU又不准。STM32有一个隐藏神器：IDLE Line Detection（空闲线检测）

启用后，一旦UART线路静默超过一个字符时间，就会触发IDLE中断——完美契合Modbus帧边界！

实现方案：DMA循环缓冲 + IDLE中断

#define RX_BUFFER_SIZE 128 uint8_t dma_rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; void modbus_start_dma_receive(void) { __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE); // 必须手动使能IDLE中断 HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_rx_buffer, RX_BUFFER_SIZE); }

中断服务函数中捕获实际接收长度：

void USART1_IRQHandler(void) { if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE)) { __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); __HAL_DMA_DISABLE(&hdma_usart1_rx); // 先停DMA uint16_t remain = __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx); uint16_t rx_len = RX_BUFFER_SIZE - remain; // 复制有效数据到处理缓冲区（避免覆盖） memcpy(temp_rx_buf, dma_rx_buffer, rx_len); process_modbus_frame(temp_rx_buf, rx_len); // 清空并重启DMA memset(dma_rx_buffer, 0, RX_BUFFER_SIZE); __HAL_DMA_ENABLE(&hdma_usart1_rx); HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_rx_buffer, RX_BUFFER_SIZE); } }

这种方式无需定时器干预，响应快、精度高，还能防止帧粘连。

三、CRC16校验：别再抄错多项式了！

Modbus使用的CRC16多项式是：x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1，对应十六进制值0x8005，但反向计算时常写作0xA001（这是位反转后的结果）。

网上很多代码写错了初始值或字节顺序。下面是经过严格验证的标准实现：

uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *buf, uint16_t 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; // 返回的是低字节在前、高字节在后的格式 }

📌 注意：返回的CRC要拆成两个字节附加到报文末尾，低位在前：

uint8_t crc_low = (uint8_t)(crc & 0xFF); uint8_t crc_high = (uint8_t)(crc >> 8); tx_frame[pos++] = crc_low; tx_frame[pos++] = crc_high;

否则对方校验会失败！

主站 vs 从站：角色不同，代码结构也该不一样

主站逻辑：主动出击，带超时重试

主站的任务很明确：依次轮询各个从站，读取数据。

// 示例：读取从站0x02的保持寄存器0x00开始的2个寄存器 void master_poll_slave_02(void) { uint8_t req[8] = {0}; req[0] = 0x02; // 从站地址 req[1] = 0x03; // 功能码：读保持寄存器 req[2] = 0x00; req[3] = 0x00; // 起始地址 H/L req[4] = 0x00; req[5] = 0x02; // 寄存器数量 H/L uint16_t crc = modbus_crc16(req, 6); req[6] = (uint8_t)(crc & 0xFF); req[7] = (uint8_t)(crc >> 8); send_modbus_request(req, 8); // 等待响应（使用RTOS消息队列或标志位） if (!wait_for_response_from(0x02, 100)) { // 超时100ms retry_count++; if (retry_count < 3) { master_poll_slave_02(); // 重试 } else { error_log("Slave 0x02 timeout"); } } }

推荐使用FreeRTOS做任务调度，每个从站单独一个任务或通过事件组协调。

从站逻辑：被动响应，快速处理

从站永远处于监听状态，收到帧后判断地址是否匹配：

void process_modbus_frame(uint8_t *frame, uint16_t len) { if (len < 4) return; // 最小帧长：地址+功能码+CRC=4字节 uint8_t slave_addr = frame[0]; if (slave_addr != LOCAL_DEVICE_ADDR && slave_addr != 0x00) { return; // 地址不匹配（0x00为广播地址） } uint16_t received_crc = frame[len-2] | (frame[len-1] << 8); uint16_t calc_crc = modbus_crc16(frame, len - 2); if (received_crc != calc_crc) { return; // CRC错误，丢弃 } handle_function_code(frame, len); // 解析并响应 }

对于0x03功能码的处理示例：

void handle_read_holding_registers(uint8_t *req, uint8_t *resp) { uint16_t start_addr = (req[2] << 8) | req[3]; uint16_t reg_count = (req[4] << 8) | req[5]; if (reg_count == 0 || reg_count > 125) { send_exception_response(req[0], req[1], 0x03); // 非法数量 return; } // 模拟数据（实际可来自ADC、EEPROM等） holding_regs[0] = 0x01F4; // 模拟温度 500 (25°C) holding_regs[1] = 0x00C8; // 模拟湿度 200 (20%) resp[0] = req[0]; // 回复地址 resp[1] = req[1]; // 回复功能码 resp[2] = reg_count * 2; // 数据字节数 int data_idx = 3; for (int i = 0; i < reg_count; i++) { uint16_t val = holding_regs[start_addr + i]; resp[data_idx++] = (val >> 8) & 0xFF; resp[data_idx++] = val & 0xFF; } uint16_t crc = modbus_crc16(resp, data_idx); resp[data_idx++] = crc & 0xFF; resp[data_idx++] = (crc >> 8) & 0xFF; modbus_reply(resp, data_idx); // 发送应答 }

实战避坑指南：这些细节决定成败

🔧调试建议：
- 用第二路串口打印日志（如printf重定向到USART2）
- 使用QModMaster作为PC端主站模拟器测试从站
- 示波器抓A/B线波形，观察差分信号质量

结语：这套方案已经在哪些地方跑起来了？

我参与过的项目中，这套架构已稳定运行于：

• 智能配电柜远程监控系统（1主6从，最长距离800米）
• 农业大棚温湿度采集网络（太阳能供电，低功耗设计）
• 小型PLC与触摸屏通信链路（替代昂贵的专用模块）

它的最大优势不是性能多强，而是足够简单、足够可靠、足够容易维护。

当你下次要做分布式数据采集时，不妨先试试这个组合。代码我已经封装成模块化库，只需修改设备地址、寄存器映射和IO定义，就能快速部署到F1/F4/G0/L4等各种STM32平台。

如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。