/** ****************************************************************************** * @file modbus_rtu_master.c * @brief Modbus RTU Master 模块实现 * @note 本模块通过 RS485 (UART3) 以 Modbus RTU 协议轮询 Noris AMS 从站， * 读取寄存器 41161 中的报警状态位，并提取为紧凑报警字节。 * * 工作原理: * 1. 每 1000ms 发送一次 Read Holding Registers (FC=0x03) 请求 * 2. 等待从站响应，支持帧内字符超时检测和响应总超时 * 3. 解析响应帧并进行 CRC16 校验 * 4. 从寄存器值中提取 Bit4-7 的报警位，映射为紧凑报警字节 * 5. 报警状态由 main.c 负责上报 (变化通知 + 心跳包) * * 状态机流转: * IDLE → WAIT_POLL → WAIT_RESPONSE → PROCESS → IDLE * * @version 1.1 ****************************************************************************** */ #include "modbus_rtu_master.h" #include "usart.h" #include "main.h" #include /* ================================================================ * CRC16-Modbus 查找表 (256 项) * 多项式: 0xA001 (反转形式)，初始值: 0xFFFF * 用于 Modbus RTU 帧的 CRC 校验计算，采用查表法加速运算 * ================================================================ */ static const uint16_t crc16_table[256] = { 0x0000, 0xC0C1, 0xC181, 0x0140, 0xC301, 0x03C0, 0x0280, 0xC241, 0xC601, 0x06C0, 0x0780, 0xC741, 0x0500, 0xC5C1, 0xC481, 0x0440, 0xCC01, 0x0CC0, 0x0D80, 0xCD41, 0x0F00, 0xCFC1, 0xCE81, 0x0E40, 0x0A00, 0xCAC1, 0xCB81, 0x0B40, 0xC901, 0x09C0, 0x0880, 0xC841, 0xD801, 0x18C0, 0x1980, 0xD941, 0x1B00, 0xDBC1, 0xDA81, 0x1A40, 0x1E00, 0xDEC1, 0xDF81, 0x1F40, 0xDD01, 0x1DC0, 0x1C80, 0xDC41, 0x1400, 0xD4C1, 0xD581, 0x1540, 0xD701, 0x17C0, 0x1680, 0xD641, 0xD201, 0x12C0, 0x1380, 0xD341, 0x1100, 0xD1C1, 0xD081, 0x1040, 0xF001, 0x30C0, 0x3180, 0xF141, 0x3300, 0xF3C1, 0xF281, 0x3240, 0x3600, 0xF6C1, 0xF781, 0x3740, 0xF501, 0x35C0, 0x3480, 0xF441, 0x3C00, 0xFCC1, 0xFD81, 0x3D40, 0xFF01, 0x3FC0, 0x3E80, 0xFE41, 0xFA01, 0x3AC0, 0x3B80, 0xFB41, 0x3900, 0xF9C1, 0xF881, 0x3840, 0x2800, 0xE8C1, 0xE981, 0x2940, 0xEB01, 0x2BC0, 0x2A80, 0xEA41, 0xEE01, 0x2EC0, 0x2F80, 0xEF41, 0x2D00, 0xEDC1, 0xEC81, 0x2C40, 0xE401, 0x24C0, 0x2580, 0xE541, 0x2700, 0xE7C1, 0xE681, 0x2640, 0x2200, 0xE2C1, 0xE381, 0x2340, 0xE101, 0x21C0, 0x2080, 0xE041, 0xA001, 0x60C0, 0x6180, 0xA141, 0x6300, 0xA3C1, 0xA281, 0x6240, 0x6600, 0xA6C1, 0xA781, 0x6740, 0xA501, 0x65C0, 0x6480, 0xA441, 0x6C00, 0xACC1, 0xAD81, 0x6D40, 0xAF01, 0x6FC0, 0x6E80, 0xAE41, 0xAA01, 0x6AC0, 0x6B80, 0xAB41, 0x6900, 0xA9C1, 0xA881, 0x6840, 0x7800, 0xB8C1, 0xB981, 0x7940, 0xBB01, 0x7BC0, 0x7A80, 0xBA41, 0xBE01, 0x7EC0, 0x7F80, 0xBF41, 0x7D00, 0xBDC1, 0xBC81, 0x7C40, 0xB401, 0x74C0, 0x7580, 0xB541, 0x7700, 0xB7C1, 0xB681, 0x7640, 0x7200, 0xB2C1, 0xB381, 0x7340, 0xB101, 0x71C0, 0x7080, 0xB041, 0x5000, 0x90C1, 0x9181, 0x5140, 0x9301, 0x53C0, 0x5280, 0x9241, 0x9601, 0x56C0, 0x5780, 0x9741, 0x5500, 0x95C1, 0x9481, 0x5440, 0x9C01, 0x5CC0, 0x5D80, 0x9D41, 0x5F00, 0x9FC1, 0x9E81, 0x5E40, 0x5A00, 0x9AC1, 0x9B81, 0x5B40, 0x9901, 0x59C0, 0x5880, 0x9841, 0x8801, 0x48C0, 0x4980, 0x8941, 0x4B00, 0x8BC1, 0x8A81, 0x4A40, 0x4E00, 0x8EC1, 0x8F81, 0x4F40, 0x8D01, 0x4DC0, 0x4C80, 0x8C41, 0x4400, 0x84C1, 0x8581, 0x4540, 0x8701, 0x47C0, 0x4680, 0x8641, 0x8201, 0x42C0, 0x4380, 0x8341, 0x4100, 0x81C1, 0x8081, 0x4040 }; /* ================================================================ * 状态机枚举定义 * Modbus RTU Master 使用四状态状态机驱动轮询过程 * ================================================================ */ /** * @brief Modbus RTU 轮询状态机状态枚举 * - MB_STATE_IDLE: 空闲状态，等待轮询间隔到达 * - MB_STATE_WAIT_POLL: 准备发送，立即发送请求帧 * - MB_STATE_WAIT_RESPONSE: 已发送请求，等待从站响应 * - MB_STATE_PROCESS: 帧接收完成，解析响应数据 */ typedef enum { MB_STATE_IDLE, MB_STATE_WAIT_POLL, MB_STATE_WAIT_RESPONSE, MB_STATE_PROCESS } mb_state_t; /* ================================================================ * 模块内部静态变量 * ================================================================ */ /** 当前状态机状态 */ static mb_state_t mb_state = MB_STATE_IDLE; /** 当前状态的进入时刻 (用于超时判断) */ static uint32_t mb_state_tick = 0; /** 上一次轮询的时刻 (用于计算轮询间隔) */ static uint32_t mb_last_poll_tick = 0; /** 回波屏蔽截止时间 (发送后忽略自身回波的时间点) */ static uint32_t ignore_echo_until = 0; /** 接收缓冲区: 存储从站响应的原始字节 */ static uint8_t mb_rx_buf[MODBUS_RTU_MAX_RX_BUF]; /** 接收缓冲区当前写入索引 */ static uint8_t mb_rx_idx = 0; /** 最后一次接收到字节的时刻 (用于帧间超时判断) */ static uint32_t mb_rx_last_byte_tick = 0; /** 当前报警状态字节 (紧凑格式，Bit0-3 对应 4 种报警) */ static uint8_t mb_alarm_state = 0; /** 上一次报警状态 (用于变化检测，初始值 0xFF 表示首次轮询) */ static uint8_t mb_alarm_last = 0xFF; /** 最近一次成功读取的寄存器原始值 (16-bit，大端序解析) */ static uint16_t mb_reg_val = 0; /* ================================================================ * 内部静态函数实现 * ================================================================ */ /** * @brief 计算 Modbus CRC16 校验值 * @note 采用查表法，多项式 0xA001，初始值 0xFFFF * CRC16-Modbus 算法: 低字节在前 (Little-Endian) * @param data: 待计算的数据缓冲区指针 * @param len: 数据长度 (字节) * @retval CRC16 校验值 */ static uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *data, uint16_t len) { uint16_t crc = 0xFFFF; for (uint16_t i = 0; i < len; i++) { crc = (crc >> 8) ^ crc16_table[(crc ^ data[i]) & 0xFF]; } return crc; } /** * @brief 从 16 位寄存器值中提取报警位，映射为紧凑报警字节 * @note 映射关系: * 寄存器 Bit4 → 报警字节 Bit0 (火灾) * 寄存器 Bit5 → 报警字节 Bit1 (水密门) * 寄存器 Bit6 → 报警字节 Bit2 (舱底水) * 寄存器 Bit7 → 报警字节 Bit3 (气体检测) * @param reg: 16 位寄存器原始值 * @retval 紧凑报警字节 (Bit0-3 有效) */ static uint8_t extract_alarm_bits(uint16_t reg) { uint8_t alarm = 0; if (NORIS_FIRE_ALARM(reg)) alarm |= (1 << 0); if (NORIS_DOOR_ALARM(reg)) alarm |= (1 << 1); if (NORIS_BILGE_ALARM(reg)) alarm |= (1 << 2); if (NORIS_GAS_ALARM(reg)) alarm |= (1 << 3); return alarm; } /** * @brief 构造并发送 Modbus RTU Read Holding Registers 请求帧 * @note 帧格式: [从站地址][FC=0x03][起始地址H][起始地址L][数量H][数量L][CRC_L][CRC_H] * 发送完成后设置回波屏蔽窗口，并清空接收缓冲区 * @retval 无 */ static void send_modbus_request(void) { uint8_t tx[8]; /* 构造请求帧 PDU */ tx[0] = MODBUS_RTU_SLAVE_ADDR; /* 从站地址 */ tx[1] = 0x03; /* 功能码: Read Holding Registers */ tx[2] = (uint8_t)(MODBUS_RTU_TARGET_REG >> 8); /* 寄存器起始地址高字节 */ tx[3] = (uint8_t)(MODBUS_RTU_TARGET_REG & 0xFF); /* 寄存器起始地址低字节 */ tx[4] = (uint8_t)(MODBUS_RTU_REG_QTY >> 8); /* 读取数量高字节 */ tx[5] = (uint8_t)(MODBUS_RTU_REG_QTY & 0xFF); /* 读取数量低字节 */ /* 计算并附加 CRC16 (低字节在前) */ uint16_t crc = modbus_crc16(tx, 6); tx[6] = (uint8_t)(crc & 0xFF); /* CRC 低字节 */ tx[7] = (uint8_t)(crc >> 8); /* CRC 高字节 */ /* 设置回波屏蔽窗口: 发送后 MODBUS_RTU_TX_ECHO_MARGIN 毫秒内忽略接收数据 */ ignore_echo_until = HAL_GetTick() + MODBUS_RTU_TX_ECHO_MARGIN; /* 清空接收缓冲区，准备接收新响应 */ mb_rx_idx = 0; /* 通过 UART3 (RS485) 阻塞发送请求帧 */ HAL_UART_Transmit(&huart3, tx, 8, HAL_MAX_DELAY); } /** * @brief 解析 Modbus RTU 响应帧 * @note 校验流程: * 1. 最小帧长度检查 (≥5 字节: 地址 + FC + 字节数 + CRC×2) * 2. 从站地址匹配检查 * 3. 功能码检查 (FC=0x03 为正常响应，FC=0x83 为异常响应，静默丢弃) * 4. 数据字节数与期望值匹配检查 * 5. 实际帧长度与期望长度匹配检查 * 6. CRC16 校验 * 7. 提取寄存器值 (大端序) * @retval true: 解析成功，mb_reg_val 已更新 * false: 解析失败 (帧不完整/地址不匹配/CRC错误等) */ static bool parse_modbus_response(void) { /* 检查最小帧长度: 地址(1) + FC(1) + 字节数(1) + CRC(2) = 5 */ if (mb_rx_idx < 5) return false; /* 检查从站地址是否匹配 */ if (mb_rx_buf[0] != MODBUS_RTU_SLAVE_ADDR) return false; /* 检查功能码是否为 0x03 (正常响应); 0x83 为异常响应，静默丢弃 */ if (mb_rx_buf[1] != 0x03) return false; /* 检查数据字节数是否与期望值匹配 (寄存器数量 × 2) */ uint8_t byte_count = mb_rx_buf[2]; if (byte_count != (MODBUS_RTU_REG_QTY * 2)) return false; /* 计算期望帧总长度: 地址(1) + FC(1) + 字节数(1) + 数据 + CRC(2) */ uint16_t expected_len = 3 + byte_count + 2; if (mb_rx_idx < expected_len) return false; /* 提取并验证 CRC16 (低字节在前) */ uint16_t crc_received = (uint16_t)mb_rx_buf[expected_len - 2] | ((uint16_t)mb_rx_buf[expected_len - 1] << 8); uint16_t crc_calc = modbus_crc16(mb_rx_buf, expected_len - 2); if (crc_received != crc_calc) return false; /* 提取寄存器值 (大端序: 高字节在前) */ mb_reg_val = ((uint16_t)mb_rx_buf[3] << 8) | mb_rx_buf[4]; return true; } /* ================================================================ * 公共函数实现 * ================================================================ */ /** * @brief Modbus RTU Master 模块初始化 * @note 将状态机重置为 IDLE 状态，清空所有缓冲区和状态变量。 * mb_alarm_last 初始化为 0xFF，使得首次轮询结果不会触发变化通知 * (main.c 中通过 g_last_alarm_state == 0xFF 判断跳过首次上报) */ void ModbusRTU_Master_Init(void) { mb_state = MB_STATE_IDLE; mb_state_tick = HAL_GetTick(); mb_last_poll_tick = HAL_GetTick(); mb_rx_idx = 0; mb_alarm_state = 0; mb_alarm_last = 0xFF; mb_reg_val = 0; ignore_echo_until = 0; } /** * @brief Modbus RTU Master 主任务函数 * @note 在主循环中周期性调用，驱动四状态轮询状态机: * * IDLE: 等待轮询间隔 (MODBUS_RTU_POLL_INTERVAL = 1000ms) * 间隔到达后切换到 WAIT_POLL * * WAIT_POLL: 立即发送 Modbus RTU 请求帧 * 发送完成后切换到 WAIT_RESPONSE * * WAIT_RESPONSE: 等待从站响应 * - 帧内字符超时到达 → 切换到 PROCESS 解析 * - 响应总超时到达 → 丢弃本次，回到 IDLE * * PROCESS: 解析响应帧 * - 解析成功 → 更新 mb_alarm_state * - 解析失败 → 静默丢弃 * 处理完成后回到 IDLE * * 报警变化上报由 main.c 负责，本模块仅更新 mb_alarm_state */ void ModbusRTU_Master_Task(void) { switch (mb_state) { /* ---- 空闲状态: 等待轮询间隔到达 ---- */ case MB_STATE_IDLE: if ((int32_t)(HAL_GetTick() - mb_last_poll_tick) >= MODBUS_RTU_POLL_INTERVAL) { mb_last_poll_tick = HAL_GetTick(); mb_state = MB_STATE_WAIT_POLL; mb_state_tick = HAL_GetTick(); } break; /* ---- 准备发送状态: 构造并发送请求帧 ---- */ case MB_STATE_WAIT_POLL: send_modbus_request(); mb_state = MB_STATE_WAIT_RESPONSE; mb_state_tick = HAL_GetTick(); break; /* ---- 等待响应状态: 等待从站响应或超时 ---- */ case MB_STATE_WAIT_RESPONSE: /* 帧内字符超时: 已接收数据且最后一个字节之后超过间隔时间， * 认为一帧数据接收完成 */ if (mb_rx_idx > 0 && (int32_t)(HAL_GetTick() - mb_rx_last_byte_tick) > MODBUS_RTU_INTER_CHAR_TIMEOUT) { mb_state = MB_STATE_PROCESS; break; } /* 响应总超时: 自发送请求后超过 MODBUS_RTU_RESP_TIMEOUT 仍未收到完整帧， * 丢弃本次轮询，回到 IDLE 等待下次 */ if ((int32_t)(HAL_GetTick() - mb_state_tick) > MODBUS_RTU_RESP_TIMEOUT) { mb_state = MB_STATE_IDLE; } break; /* ---- 处理状态: 解析响应帧，更新报警状态 ---- */ case MB_STATE_PROCESS: if (parse_modbus_response()) { /* 解析成功: 从寄存器值提取报警位 */ mb_alarm_state = extract_alarm_bits(mb_reg_val); if (mb_alarm_state != mb_alarm_last) { /* 报警状态发生变化，更新记录值 */ mb_alarm_last = mb_alarm_state; } } /* 无论解析成功与否，回到 IDLE 等待下一次轮询 */ mb_state = MB_STATE_IDLE; break; /* ---- 异常兜底: 未知状态强制回到 IDLE ---- */ default: mb_state = MB_STATE_IDLE; break; } } /** * @brief 向 Modbus RTU 接收缓冲区送入一个字节 * @note 在 UART3 接收中断回调中调用 (HAL_UART_RxCpltCallback → huart3 分支) * * 数据过滤逻辑: * 1. 回波屏蔽: 发送请求后 MODBUS_RTU_TX_ECHO_MARGIN 毫秒内的数据全部丢弃， * 避免将自身发送的请求帧回波误判为从站响应 * 2. 状态过滤: 仅在 WAIT_RESPONSE 状态下接收数据， * 其他状态收到的数据直接丢弃 * 3. 缓冲区溢出保护: 接收索引超过缓冲区大小时停止写入 * * @param byte: 从 UART3 接收到的原始字节 * @retval 无 */ void ModbusRTU_FeedRxByte(uint8_t byte) { /* 屏蔽发送回波 */ if (HAL_GetTick() < ignore_echo_until) return; /* 仅在等待响应状态下接收 */ if (mb_state != MB_STATE_WAIT_RESPONSE) return; /* 缓冲区溢出保护 */ if (mb_rx_idx >= MODBUS_RTU_MAX_RX_BUF) return; /* 存入缓冲区并更新时间戳 */ mb_rx_buf[mb_rx_idx++] = byte; mb_rx_last_byte_tick = HAL_GetTick(); } /** * @brief 获取当前 Modbus RTU 报警状态 * @note 供 main.c 中的以下场景调用: * 1. 变化通知: 与上次状态比较，变化时通过 PROTO_TYPE_IO (0x10) 上报 * 2. 心跳包: 每 30 秒将当前报警状态填入心跳 payload * @retval 紧凑报警字节: * Bit0 = 火灾报警 (对应寄存器 Bit4) * Bit1 = 水密门报警 (对应寄存器 Bit5) * Bit2 = 舱底水报警 (对应寄存器 Bit6) * Bit3 = 气体检测报警 (对应寄存器 Bit7) */ uint8_t ModbusRTU_GetAlarmState(void) { return mb_alarm_state; }