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手把手教你用 freemodbus 在 MCU 上实现 RTU 从机功能

最近在做一个工业传感器项目，客户要求必须支持 Modbus RTU 协议接入 PLC 系统。虽然市面上有不少现成的模块，但为了节省成本、提升灵活性，我决定直接在 STM32 上“手搓”一个 Modbus 从机。经过几天调试踩坑，终于跑通了——整个过程其实并不复杂，关键是要搞清楚freemodbus到底是怎么工作的。

今天就来分享一下我的实战经验，不讲空话套话，只讲你真正需要知道的东西：如何从零开始，在你的嵌入式设备上跑起一个稳定可靠的 Modbus RTU 从机。

为什么选 freemodbus？

说到 Modbus 协议栈，freemodbus几乎是嵌入式开发者的默认选项。它轻量、开源（MIT 许可）、纯 C 编写，最关键的是——可移植性极强。无论你是用 STM32、GD32、ESP32，还是跑 FreeRTOS 或裸机系统，都能轻松对接。

它的核心设计思想就是“分层解耦”：协议逻辑和硬件驱动完全分离。你只需要实现几个底层接口函数，剩下的解析、组包、CRC 校验、超时判断全都交给它处理。这种架构让开发者能专注业务逻辑，而不是陷在通信细节里出不来。

官网：http://www.freemodbus.org/
GitHub 上也能找到多个维护良好的分支版本，比如基于 STM32 HAL 的移植示例。

freemodbus 是怎么工作的？一张图说清全流程

先别急着写代码，我们得先理解它的运行机制。想象一下这样的场景：

PLC（主站）通过 RS-485 总线发来一条指令：“读取设备地址为 1 的保持寄存器 40001，长度为 2。”
你的 MCU 收到这串字节后，要能正确识别、响应，并返回数据。

freemodbus 就是帮你完成这个过程的“中间人”。它的工作流程可以用下面这条链路概括：

[串口接收到字节] → 触发中断 → 存入缓冲区并重启 T35 定时器 ↓ 定时器超时（帧结束）→ 通知协议栈处理完整报文 ↓ 解析地址、功能码、CRC → 匹配回调函数 → 读写用户数据区 ↓ 组装应答帧 → 启动发送 → 发送完成后插入静默期

整个过程的核心在于两个机制：逐字节接收 + 帧边界判定。

关键点：RTU 模式靠“时间”定帧

Modbus RTU 使用二进制编码，不像 ASCII 那样有明确的起始/结束字符（如:和\r\n）。那它是怎么知道一帧数据什么时候开始、什么时候结束的？

答案是：3.5 字符时间规则。

也就是说，当串行线上连续空闲超过 3.5 个字符传输时间时，就认为当前帧已经结束，接下来收到的新字节属于下一帧。

举个例子：波特率为 9600bps，每个字符（11bit：1起始+8数据+1校验+1停止）耗时约 1.14ms，那么 3.5 字符时间 ≈ 4ms。只要两个字节之间的间隔大于 4ms，就视为帧间间隔。

freemodbus 用一个叫T35 Timer的定时器来实现这一点。每收到一个字节就重置一次定时器，一旦超时，立即触发帧处理流程。

如何对接硬件？端口层是你必须跨过的坎

freemodbus 提供的是协议层能力，真正的收发还得靠你自己实现。这部分工作集中在port.c和port.h文件中，主要包括三大接口：

1. 串口收发
2. T35 定时器管理
3. 事件通知机制

这些统称为“端口层”（Port Layer），是你移植 freemodbus 的核心任务。

串口接收：中断 + 缓冲区

最常见的方式是在 USART 接收中断中调用prvvUARTRxReadyISR()，把接收到的字节喂给协议栈：

void USART1_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)) { uint8_t byte = USART_ReceiveData(USART1); prvvUARTRxReadyISR(byte); // 告诉 freemodbus 收到了一个字节 } }

同时，你需要确保 T35 定时器被正确启动和复位。通常使用 SysTick 或通用定时器实现，精度建议控制在 1ms 以内。

串口发送：注意半双工控制

RS-485 是半双工总线，发送和接收共用一对差分线。因此，必须通过 GPIO 控制 DE（Driver Enable）引脚来切换方向。

在发送前打开 DE，在最后一个字节发出后延迟一段时间再关闭 DE，避免“自己打断自己”。

freemodbus 提供了vMBPortSerialEnable(BOOL bTXEnable, BOOL bRXEnable)接口，你可以在这里操作 GPIO：

void vMBPortSerialEnable(BOOL bTXEnable, BOOL bRXEnable) { if (bTXEnable) { GPIO_SetBits(RS485_CTRL_PORT, RS485_DE_PIN); // 开启发送使能 } else { GPIO_ResetBits(RS485_CTRL_PORT, RS485_DE_PIN); // 关闭发送使能 } if (bRXEnable) { // 允许接收 } }

发送过程由eMBPoll()内部自动调度。你只需实现xMBPortSerialPutByte()函数，将字节放入发送缓冲区即可。

寄存器映射：你的数据在哪里，怎么访问？

Modbus 定义了四种标准寄存器类型：

但在 freemodbus 中，这些地址是以“偏移量”的形式传入回调函数的。比如主机请求读取 40001，实际传给你的usAddress是 0；请求 40005，则是 4。

所以你要做的，就是根据这个偏移量去访问对应的内存区域。

实现保持寄存器读写：经典模板来了

下面是一个典型的eMBRegHoldingCB回调函数实现：

#define REG_HOLDING_START 0 // 对应协议地址 40001 #define REG_HOLDING_NREGS 10 static uint16_t usRegHoldingBuf[REG_HOLDING_NREGS]; eMBErrorCode eMBRegHoldingCB( UCHAR *pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode) { eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR; int16_t i, regIndex; if ((usAddress >= REG_HOLDING_START) && (usAddress + usNRegs <= REG_HOLDING_START + REG_HOLDING_NREGS)) { regIndex = (int16_t)(usAddress - REG_HOLDING_START); switch (eMode) { case MB_REG_READ: for (i = 0; i < usNRegs; i++) { *pucRegBuffer++ = (UCHAR)(usRegHoldingBuf[regIndex + i] >> 8); *pucRegBuffer++ = (UCHAR)(usRegHoldingBuf[regIndex + i] & 0xFF); } break; case MB_REG_WRITE: for (i = 0; i < usNRegs; i++) { usRegHoldingBuf[regIndex + i] = (*pucRegBuffer++ << 8); usRegHoldingBuf[regIndex + i] |= *pucRegBuffer++; } break; } } else { eStatus = MB_ENOREG; // 地址越界 } return eStatus; }

⚠️ 注意：所有数据都按大端序存储！高位字节在前，低位字节在后，这是 Modbus 的硬性规定。

如果你不小心用了小端序打包，主站看到的数据就会错乱。更危险的是，有些人直接memcpy(&value, pucRegBuffer, 2)，这在某些平台上可能没问题，但在严格对齐或大小端不同的系统上会出问题。

初始化与主循环：别忘了调用 eMBPoll()

一切准备就绪后，最后一步是启动协议栈。

初始化步骤

int main(void) { // 硬件初始化 SystemInit(); UART_Config(); // 波特率、校验位等 Timer_T35_Init(); // T35 定时器，建议精度 1ms GPIO_RS485_Init(); // DE/RE 引脚控制 // freemodbus 初始化 eMBInit(MB_RTU, 0x01, 0, 9600, MB_PAR_NONE); // 从机地址=1，无校验 eMBEnable(); // 启动监听 while (1) { eMBPoll(); // 必须周期性调用！建议放在主循环或定时任务中 Delay_ms(1); // 可选：防止 CPU 占满 } }

关键提醒

• eMBPoll()必须被周期性调用，频率越高越好（一般 ≥1kHz），否则会影响响应实时性。
• 如果你在 RTOS 中使用，可以把eMBPoll()放在一个低优先级任务中循环执行。
• 不要阻塞在这个函数里！它只是检查是否有待处理事件。

调试技巧：那些年我踩过的坑

刚开始调试时，经常遇到“主机发命令，但从机没反应”的情况。别慌，按以下顺序排查：

✅ 1. 抓包验证物理层通信

用 USB-RS485 转换器连接 PC，配合QModMaster或ModScan工具发送测试命令，同时用串口助手抓原始数据流。

看看是不是真的收到了01 03 00 00 00 02 C4 0B这样的帧。如果没有，说明硬件连接或波特率设置有问题。

✅ 2. 检查 T35 定时器是否准确

这是最常见的问题！如果定时器不准，会导致帧无法正确闭合。

例如：波特率 115200，每个字符约 0.087ms，3.5 字符 ≈ 0.3ms。如果你的定时器最小单位是 1ms，那就永远达不到 0.3ms 的精度，结果就是帧一直“收不完”。

解决方案：
- 使用更高频率的定时器（如 TIM6 @ 10kHz）
- 或者启用 DMA + 空闲中断（IDLE Line Detection）来检测帧结束，效率更高

✅ 3. 地址映射别搞混了！

再次强调：协议地址 ≠ 回调函数中的usAddress！

建议定义清晰的宏或枚举：

typedef enum { REG_HUMIDITY = 0, REG_TEMPERATURE, REG_FAN_SPEED, REG_ALARM_STATUS, } HoldingRegAddr_t;

这样代码可读性强，也不容易出错。

✅ 4. RS485 发送使能要延时关闭

很多初学者在发送完最后一字节后立刻拉低 DE 引脚，导致最后一个字节还没完全送出就被截断。

正确的做法是：在发送完成中断（TC 标志）中再关闭 DE，或者加一个微小延时（如 100μs）。

高级玩法：不只是读写寄存器

掌握了基础之后，你可以玩更多花样：

自定义功能码

freemodbus 支持扩展功能码（0x40~0x7F 或 0x80 以上）。你可以注册自己的处理函数，实现固件升级、远程复位、参数批量导出等功能。

结合 RT-Thread 或 FreeRTOS

在操作系统环境下，可以将eMBPoll()放入独立线程，结合消息队列与其他模块通信。还可以利用系统的定时器服务简化 T35 实现。

多协议共存

有些产品既要 Modbus 又要 CAN 或 MQTT。freemodbus 的模块化设计允许你轻松集成多个协议栈，共享同一套寄存器池。

写在最后：为什么你应该掌握这项技能？

Modbus 可能不是最先进的协议，但它足够简单、足够稳定、足够普及。在全球数以亿计的工业设备中，每天都有海量的 Modbus 报文在流动。

作为一名嵌入式工程师，掌握 freemodbus 不仅意味着你能快速交付项目，更代表你具备了构建标准化通信节点的能力。无论是做智能电表、温湿度变送器，还是参与 IIoT 平台建设，这都是不可或缺的基础功底。

更重要的是，当你亲手实现过一次完整的协议栈对接，你会对“通信”这件事有更深的理解——数据是如何跨越电气信号、变成有意义的信息的。

下次如果你的设备需要联网，不妨试试自己动手实现一个 Modbus 从机。你会发现，原来所谓的“工业协议”，也没那么神秘。

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。