ESP32 使用ESP-IDF实现Modbus RTU主机通信源码分享

ESP32 使用ESP-IDF实现Modbus RTU主机通信源码分享

• 一、源码分享
• • 1、效果展示
  • 2、开发环境搭建
  • 3、源码分享
  • • 3.1、modbus组件添加
    • 3.2、 main.c
• 二、modbus rtu详解
• • 1、协议概述
  • 2、报文结构
  • 3、 核心功能码
  • 4、数据寻址
  • 5、 通信时序
• 三、ESP-IDF详解
• • 1、ESP32 概述
  • 2、 ESP-IDF 详解
  • • 2.1 、ESP-IDF 的核心组件与架构
    • 2.2 、ESP-IDF 开发环境与工具链
    • 2.3 、ESP-IDF 开发流程简述
    • 2.4、 示例代码结构 (最简单的 Hello World)
    • 2.5、 优势与特点
    • 2.6 、适用场景
  • 3、总结

一、源码分享

1、效果展示

2、开发环境搭建

参考我这篇博文：VS Code 在线安装ESP-IDF，ESP32开发环境搭建详细教程

3、源码分享

3.1、modbus组件添加

Ctrl + Shift+P打开组件管理器 搜索modbus 选中espressif/esp-modbus点击install 等待加载完成

3.2、 main.c

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/projdefs.h"
#include "freertos/task.h"
#include "mbcontroller.h"
#include "driver/gpio.h"

typedef enum {
MODBUS_FC_READ_COILS = 0x01,
MODBUS_FC_READ_DISCRETE_INPUTS = 0x02,
MODBUS_FC_READ_HOLDING_REGISTERS = 0x03,
MODBUS_FC_READ_INPUT_REGISTERS = 0x04,
MODBUS_FC_WRITE_SINGLE_COIL = 0x05,
MODBUS_FC_WRITE_SINGLE_REGISTER = 0x06,
MODBUS_FC_WRITE_MULTIPLE_COILS = 0x0F,
MODBUS_FC_WRITE_MULTIPLE_REGISTERS = 0x10
} modbus_function_code_t;

void app_main(void)
{
uint16_t data[5];
static void *master_handle = NULL;
mb_communication_info_t comm = {
.ser_opts.port = UART_NUM_1,
.ser_opts.mode = MB_RTU,
.ser_opts.baudrate = 9600,
.ser_opts.parity = MB_PARITY_NONE,
.ser_opts.uid = 0,
.ser_opts.response_tout_ms = 1000,
.ser_opts.data_bits = UART_DATA_8_BITS,
.ser_opts.stop_bits = UART_STOP_BITS_1
};

esp_err_t err = mbc_master_create_serial(&comm, &master_handle);

if( master_handle == NULL)
{
ESP_LOGE("MASTER", "Failed to create master handle.");
return;
}
err = uart_set_pin(UART_NUM_1, GPIO_NUM_17, GPIO_NUM_16,
GPIO_NUM_18, UART_PIN_NO_CHANGE);
if (err != ESP_OK) {
ESP_LOGE("UART", "Failed to set UART pins. Error = %s", esp_err_to_name(err));
return;
}
err = uart_set_mode(UART_NUM_1, UART_MODE_UART);
if (err != ESP_OK) {
ESP_LOGE("UART", "Failed to set UART mode. Error = %s", esp_err_to_name(err));
return;
}
err = mbc_master_start(master_handle);
if (err != ESP_OK)
{
ESP_LOGE("MASTER", "Failed to start master.");
return;
}

while (1)
{
mb_param_request_t req =
{
.slave_addr = 1,
.command = MODBUS_FC_READ_HOLDING_REGISTERS,
.reg_start = 0,
.reg_size = 5
};

err = mbc_master_send_request(master_handle, &req, data);
if (err != ESP_OK)
{
ESP_LOGE("CUSTOM_DATA", "Send custom request fail.");
}
else
{
ESP_LOGI("CUSTOM_DATA", "Received data: %d %d %d %d %d", data[0], data[1], data[2], data[3], data[4]);
}
vTaskDelay(pdTICKS_TO_MS(500));
}

}

二、modbus rtu详解

1、协议概述

Modbus RTU是一种基于串行通信的工业控制协议，采用二进制编码格式。其物理层通常为RS-485或RS-232接口，遵循主从（Master/Slave）通信模式。主站主动发起请求，从站响应数据，通信速率范围为1200bps至115200bps。

2、报文结构

RTU报文由以下部分组成：

• 地址域：1字节，范围$0\sim 247$
• 功能码：1字节，定义操作类型（如03H读寄存器）
• 数据域：长度可变，包含寄存器地址、数据值等
• CRC校验：2字节，采用CRC-16算法

典型报文格式示例：

[地址][功能码][数据][CRC低字节][CRC高字节]

3、 核心功能码

4、数据寻址

采用零基址映射：

• 线圈地址范围：$0000\sim 9999$
• 寄存器地址范围：$0000\sim 9999$

5、 通信时序

• 帧间隔：至少3.5字符时间（T1.5规则）
• 字节间隔：小于1.5字符时间 字符时间计算公式： $$T_{\text{char}}=\frac{11\times 1000}{\text{波特率}}\text{(ms)}$$

三、ESP-IDF详解

1、ESP32 概述

ESP32 是由乐鑫科技（Espressif Systems）推出的一款高性能、低功耗、高集成度的 Wi-Fi & 蓝牙双模系统级芯片（SoC）。它广泛应用于物联网（IoT）、智能家居、工业控制等领域。其关键特性包括：

• 双核处理器（通常为 Xtensa LX6，某些型号为 RISC-V）
• 集成 Wi-Fi (802.11 b/g/n) 和蓝牙 (包括经典蓝牙和低功耗蓝牙 BLE)
• 丰富的外设接口：$SPI$
• 充足的内存（RAM 和 Flash 选项多样）
• 强大的安全特性（如加密加速器）
• 超低功耗设计，支持多种休眠模式

2、 ESP-IDF 详解

ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) 是乐鑫官方为 ESP32、ESP32-S 系列、ESP32-C 系列等芯片提供的开发框架和 SDK（软件开发工具包）。它是开发基于 ESP32 芯片应用程序的首选和官方推荐工具。

2.1 、ESP-IDF 的核心组件与架构

ESP-IDF 是一个分层、模块化的框架：

• 硬件抽象层 (HAL)： 提供对芯片硬件资源（如 GPIO、UART、SPI、I2C、定时器、ADC、DAC、RTC、Wi-Fi、蓝牙等）进行操作的统一接口，屏蔽底层硬件细节。
• 驱动 (Drivers)： 在 HAL 之上，提供更易用、功能更丰富的设备驱动（如 SPI Flash 驱动、SD 卡驱动、以太网驱动等）。
• FreeRTOS： ESP-IDF 深度集成了开源的 FreeRTOS 实时操作系统内核。它提供了任务管理、队列、信号量、软件定时器、中断管理等机制，充分利用 ESP32 的多核特性（任务可以在不同核心上运行）。
• 中间件：
  • Wi-Fi 协议栈： 实现 Wi-Fi 的 Station（客户端）、SoftAP（接入点）、Promiscuous（监听）模式。
  • 蓝牙协议栈： 实现经典蓝牙和低功耗蓝牙 (BLE) 的各种角色（如 GATT Client/Server, GAP Central/Peripheral）。
  • TCP/IP 协议栈 (lwIP)： 轻量级的 TCP/IP 协议栈，支持 IPv4/IPv6 (部分型号)、DHCP、DNS、Socket API 等。
  • 文件系统 (FATFS/VFS)： 支持在 SPI Flash 或外部存储设备上使用 FAT 文件系统。
  • 加密库： 提供 AES、SHA、RSA 等加密算法的软件和硬件加速实现。
  • HTTP/WebSocket/MQTT 等协议库： 方便构建网络应用。
• 应用程序： 用户编写的业务逻辑代码，运行在 FreeRTOS 的任务中，通过调用下层 API 实现功能。

2.2 、ESP-IDF 开发环境与工具链

• 工具链： 基于 GNU GCC 编译器（针对 Xtensa 或 RISC-V 架构）。
• 构建系统： 使用 CMake（早期版本使用 GNU Make）。开发者编写 CMakeLists.txt 文件来定义项目结构、源文件、依赖组件等。
• 配置工具： menuconfig。这是一个基于文本的图形化配置工具（类似于 Linux Kernel 的 make menuconfig），用于配置 ESP-IDF 的众多选项，如：
  • 选择目标芯片型号
  • 配置 Wi-Fi/BT 参数
  • 调整 FreeRTOS 设置（任务栈大小、优先级等）
  • 配置日志输出级别和方式
  • 配置内存布局
  • 启用/禁用特定功能和外设驱动
• 核心工具 – idf.py： 这是 ESP-IDF 提供的命令行工具，用于执行构建、烧录、调试、监视串口输出等几乎所有开发任务。常用命令如：
  • idf.py set-target esp32 (设置目标芯片)
  • idf.py menuconfig (启动配置工具)
  • idf.py build (编译项目)
  • idf.py -p PORT flash (烧录固件到设备，PORT 为串口，如 COM3 或 /dev/ttyUSB0)
  • idf.py -p PORT monitor (启动串口监视器，查看设备日志输出)
  • idf.py fullclean (彻底清理构建目录)

2.3 、ESP-IDF 开发流程简述

2.4、 示例代码结构 (最简单的 Hello World)

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_log.h"

static const char *TAG = "MAIN";

void app_main(void)
{
while (1) {
ESP_LOGI(TAG, "Hello World!"); // 打印 Info 级别日志
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时 1000 毫秒 (FreeRTOS 延时)
}
}

2.5、 优势与特点

• 官方支持： 由芯片原厂维护，更新及时，与新芯片特性同步快。
• 功能全面： 提供对 ESP32 所有硬件特性和外设的底层访问。
• 性能优化： 针对 ESP32 硬件进行了深度优化（如 Wi-Fi/BT 共存）。
• 稳定性高： 经过大量商业产品验证。
• 社区活跃： 用户多，社区支持好，问题容易找到解决方案。
• 文档完善： 官方提供详尽的 API 参考指南、编程指南和示例代码。
• 模块化： 易于扩展和复用代码，方便管理大型项目。
• 开源免费： 基于 Apache 2.0 许可证。

2.6 、适用场景

ESP-IDF 适用于需要深度控制硬件、追求高性能、高稳定性或需要使用 ESP32 特有功能（如超低功耗协处理器 ULP）的应用开发。对于快速原型开发，也可以考虑基于 ESP-IDF 构建的更高级框架（如 Arduino for ESP32、MicroPython），但这些框架最终都依赖于 ESP-IDF 的底层功能。

3、总结

ESP-IDF 是开发 ESP32 系列芯片的强大、灵活且功能完备的官方框架。它提供了从硬件操作到网络协议栈的全套解决方案，结合 FreeRTOS 实现了高效的多任务处理。虽然其学习曲线相对陡峭，尤其是对于不熟悉嵌入式开发和 RTOS 的开发者，但它提供了最直接、最强大的方式来充分利用 ESP32 的潜力，是开发复杂或高性能 ESP32 应用的基石。掌握 idf.py 工具链和 menuconfig 配置是使用 ESP-IDF 的关键。