Stm32F3Xx + Freertos. Modbus Rtu С Аппаратным Rs485 И Crc Без Таймеров И Семафоров

Всем привет! Сравнительно недавно, окончив университет, я оказался в небольшой компании, занимающейся разработкой электроники.

Одной из первых задач, с которыми я столкнулся, была необходимость реализовать протокол Modbus RTU Slave с использованием STM32. Я написал это со стыдом, но я начал видеть этот протокол от проекта к проекту и решил провести рефакторинг и оптимизировать библиотеку с помощью FreeRTOS.

Введение

В частности:

• Получение/отправка с использованием DMA
• Возможность аппаратного расчета CRC
• Возможность аппаратной поддержки RS485.
• Определение окончания посылки посредством аппаратных возможностей USART, без использования таймера

Конфигурационный файл

Поэтому я решил написать небольшой файл conf.h, который позволит мне быстро перенастроить основные части реализации.

ModbusRTU_conf.h

   

 #ifndef MODBUSRTU_CONF_H_INCLUDED
 #define MODBUSRTU_CONF_H_INCLUDED
 #include "stm32f30x.h"
 
 extern uint32_t SystemCoreClock;
 
 /*Registers number in Modbus RTU address space*/
 #define MB_REGS_NUM             4096
 /*Slave address*/
 #define MB_SLAVE_ADDRESS        0x01
 
 /*Hardware defines*/
 #define MB_USART_BAUDRATE       115200
 #define MB_USART_RCC_HZ         64000000
 
 #define MB_USART                USART1
 #define MB_USART_RCC            RCC->APB2ENR
 #define MB_USART_RCC_BIT        RCC_APB2ENR_USART1EN
 #define MB_USART_IRQn           USART1_IRQn
 #define MB_USART_IRQ_HANDLER    USART1_IRQHandler
 
 #define MB_USART_RX_RCC         RCC->AHBENR
 #define MB_USART_RX_RCC_BIT     RCC_AHBENR_GPIOAEN
 #define MB_USART_RX_PORT        GPIOA
 #define MB_USART_RX_PIN         10
 #define MB_USART_RX_ALT_NUM     7
 
 #define MB_USART_TX_RCC         RCC->AHBENR
 #define MB_USART_TX_RCC_BIT     RCC_AHBENR_GPIOAEN
 #define MB_USART_TX_PORT        GPIOA
 #define MB_USART_TX_PIN         9
 #define MB_USART_TX_ALT_NUM     7
 
 #define MB_DMA                  DMA1
 #define MB_DMA_RCC              RCC->AHBENR
 #define MB_DMA_RCC_BIT          RCC_AHBENR_DMA1EN
 
 #define MB_DMA_RX_CH_NUM        5
 #define MB_DMA_RX_CH            DMA1_Channel5
 #define MB_DMA_RX_IRQn          DMA1_Channel5_IRQn
 #define MB_DMA_RX_IRQ_HANDLER   DMA1_Channel5_IRQHandler
 
 #define MB_DMA_TX_CH_NUM        4
 #define MB_DMA_TX_CH            DMA1_Channel4
 #define MB_DMA_TX_IRQn          DMA1_Channel4_IRQn
 #define MB_DMA_TX_IRQ_HANDLER   DMA1_Channel4_IRQHandler
 
 /*Hardware RS485 support
 1 - enabled
 other - disabled 
 */  
 #define MB_RS485_SUPPORT        0
 #if(MB_RS485_SUPPORT == 1)
 #define MB_USART_DE_RCC         RCC->AHBENR
 #define MB_USART_DE_RCC_BIT     RCC_AHBENR_GPIOAEN
 #define MB_USART_DE_PORT        GPIOA
 #define MB_USART_DE_PIN         12
 #define MB_USART_DE_ALT_NUM     7
 #endif
 
 /*Hardware CRC enable
 1 - enabled
 other - disabled 
 */  
 #define MB_HARDWARE_CRC     1
 
 #endif /* MODBUSRTU_CONF_H_INCLUDED */

   

• Адрес устройства и размер адресного пространства
• Тактовая частота и параметры контактов USART (контакт, порт, rcc, irq)
• Параметры канала DMA (rcc, irq)
• Включить/отключить аппаратную CRC и RS485.

Конфигурация оборудования

Настройки порта описывать не буду, посмотреть можно по ссылке на GitHub которая будет ниже.

Начнем с настройки USART: Настройка USART

/*Configure USART*/ /*CR1: -Transmitter/Receiver enable; -Receive timeout interrupt enable*/ MB_USART->CR1 = 0; MB_USART->CR1 |= (USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_RTOIE); /*CR2: -Receive timeout - enable */ MB_USART->CR2 = 0; /*CR3: -DMA receive enable -DMA transmit enable */ MB_USART->CR3 = 0; MB_USART->CR3 |= (USART_CR3_DMAR | USART_CR3_DMAT); #if (MB_RS485_SUPPORT == 1) /*Cnfigure RS485*/ MB_USART->CR1 |= USART_CR1_DEAT | USART_CR1_DEDT; MB_USART->CR3 |= USART_CR3_DEM; #endif /*Set Receive timeout*/ //If baudrate is grater than 19200 - timeout is 1.75 ms if(MB_USART_BAUDRATE >= 19200) MB_USART->RTOR = 0.00175 * MB_USART_BAUDRATE + 1; else MB_USART->RTOR = 35; /*Set USART baudrate*/ /*Set USART baudrate*/ uint16_t baudrate = MB_USART_RCC_HZ / MB_USART_BAUDRATE; MB_USART->BRR = baudrate; /*Enable interrupt vector for USART1*/ NVIC_SetPriority(MB_USART_IRQn, configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY); NVIC_EnableIRQ(MB_USART_IRQn); /*Enable USART*/ MB_USART->CR1 |= USART_CR1_UE;

Здесь есть несколько моментов:

1. В семействе F3, как и во многих других, например F0, имеется настраиваемая функция тайм-аута при тишине на линии; этот таймер отсчитывает от последнего полученного стопового бита и сбрасывается, если был получен следующий кадр.

   Мы будем использовать прерывание по таймауту, чтобы определить окончание отправки.

   Кстати, в серии F1 такой функции не было, поэтому пришлось использовать аппаратный таймер.

   Битовые прерывания включены USART_CR1_RTOIE в реестре CR1 .

   Важно отметить, что не все USART на борту могут иметь эту функцию, поэтому внимательно читайте РМ!

2. Таймаут настраивается через регистр РТОР .

   Он содержит значение таймаута в битах, то есть длиной 3,5 символа, что означает окончание отправки соответствует значению 35 (1 символ — 8 бит + 1 стартовый бит + 1 стоповый бит).

   Для скоростей более 19200 бод/с можно использовать интервал 1,75 мс, который также можно выразить в длине символов:
   
   MB_USART->RTOR = 0.00175 * MB_USART_BAUDRATE + 1;
   
   

3. Мы будем использовать прерывание по таймауту, чтобы определить конец сообщения и разбудить задачу OC, поэтому приоритет прерывания должен быть указан как минимум как configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY или выше, поскольку это прерывание использует функцию FreeRTOS, например ОтISR а если вы укажете более высокий приоритет, могут произойти плохие вещи, в том числе полная блокировка задачи.

   Это определение обычно определяется в файле FreeRTOS_Config.h, вы можете прочитать его здесь

4. RS485 настроен с двумя битовыми полями: USART_CR1_DEAT И USART_CR1_DEDT .

   Эти битовые поля позволяют установить время снятия и установки сигнала DE до и после отправки в размерностях 1/16 или 1/8 бит, в зависимости от параметра передискретизации модуля USART. Остается только включить функцию в реестре CR3 кусочек USART_CR3_DEM , обо всем остальном позаботится оборудование.

Они получили его в буфере, обработали там и отправили оттуда.

Во время обработки ввод не принимается.

Канал Rx DMA помещает данные из регистра приема USART (RDR) в буфер, канал Tx DMA, наоборот, из буфера в регистр отправки (TDR).

Нам нужно прервать канал Tx, чтобы определить, что ответ получен и мы можем переключиться в режим приема.

Прерывать канал Rx по сути не обязательно, поскольку мы предполагаем, что посылка Modbus не может быть больше 256 байт, но что, если на линии есть шум и кто-то отправляет байты хаотично? Для этого я сделал буфер размером 257 байт, и если происходит прерывание от Rx DMA, то это означает, что кто-то громит линию, и мы переносим канал Rx в начало буфера и слушаем снова.

Обработчики прерываний: Обработчики прерываний

/*DMA Rx interrupt handler*/ void MB_DMA_RX_IRQ_HANDLER(void) { if(MB_DMA->ISR & (DMA_ISR_TCIF1 << ((MB_DMA_RX_CH_NUM - 1) << 2))) MB_DMA->IFCR |= (DMA_IFCR_CTCIF1 << ((MB_DMA_RX_CH_NUM - 1) << 2)); if(MB_DMA->ISR & (DMA_ISR_TEIF1 << ((MB_DMA_RX_CH_NUM - 1) << 2))) MB_DMA->IFCR |= (DMA_IFCR_CTEIF1 << ((MB_DMA_RX_CH_NUM - 1) << 2)); /*If error happened on transfer or MB_MAX_FRAME_SIZE bytes received - start listening*/ MB_RecieveFrame(); } /*DMA Tx interrupt handler*/ void MB_DMA_TX_IRQ_HANDLER(void) { MB_DMA_TX_CH->CCR &= ~(DMA_CCR_EN); if(MB_DMA->ISR & (DMA_ISR_TCIF1 << ((MB_DMA_TX_CH_NUM - 1) << 2))) MB_DMA->IFCR |= (DMA_IFCR_CTCIF1 << ((MB_DMA_TX_CH_NUM - 1) << 2)); if(MB_DMA->ISR & (DMA_ISR_TEIF1 << ((MB_DMA_TX_CH_NUM - 1) << 2))) MB_DMA->IFCR |= (DMA_IFCR_CTEIF1 << ((MB_DMA_TX_CH_NUM - 1) << 2)); /*If error happened on transfer or transfer completed - start listening*/ MB_RecieveFrame(); } /*USART interrupt handler*/ void MB_USART_IRQ_HANDLER(void) { BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; if(MB_USART->ISR & USART_ISR_RTOF) { MB_USART->ICR = 0xFFFFFFFF; //MB_USART->ICR |= USART_ICR_RTOCF; MB_USART->CR2 &= ~(USART_CR2_RTOEN); /*Stop DMA Rx channel and get received bytes num*/ MB_FrameLen = MB_MAX_FRAME_SIZE - MB_DMA_RX_CH->CNDTR; MB_DMA_RX_CH->CCR &= ~DMA_CCR_EN; /*Send notification to Modbus Handler task*/ vTaskNotifyGiveFromISR(MB_TaskHandle, &xHigherPriorityTaskWoken); portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); } }

Обработчики DMA довольно просты: всё отправил — сбрасываем флаги, переходим в режим приема, получили 257 байт — ошибка кадра, сбрасываем флаги, снова переходим в режим приема.

Процессор USART сообщает нам, что поступило определенное количество данных, а затем наступает тишина.

Кадр готов, определяем количество принятых байт (максимальное количество байт приема DMA — это количество, которое осталось принять), отключаем прием и пробуждаем задачу.

Одно предостережение: раньше я использовал двоичный семафор для пробуждения задачи, но разработчики FreeRTOS рекомендуют использовать Уведомление о задаче :

Разблокировка задачи RTOS с помощью прямого уведомления происходит на 45 % быстрее и использует меньше оперативной памяти, чем разблокировка задачи с помощью двоичного семафора.

Это мелочь, конечно, но приятно.

Функции отправки и получения: Отправить и получить /*Настройка DMA для режима приема*/

void MB_RecieveFrame(void) { MB_FrameLen = 0; //Clear timeout Flag*/ MB_USART->CR2 |= USART_CR2_RTOEN; /*Disable Tx DMA channel*/ MB_DMA_RX_CH->CCR &= ~DMA_CCR_EN; /*Set receive bytes num to 257*/ MB_DMA_RX_CH->CNDTR = MB_MAX_FRAME_SIZE; /*Enable Rx DMA channel*/ MB_DMA_RX_CH->CCR |= DMA_CCR_EN; } /*Configure DMA in tx mode*/ void MB_SendFrame(uint32_t len) { /*Set number of bytes to transmit*/ MB_DMA_TX_CH->CNDTR = len; /*Enable Tx DMA channel*/ MB_DMA_TX_CH->CCR |= DMA_CCR_EN; }

Обе функции повторно инициализируют каналы DMA. При приеме включается функция контроля таймаута в регистре CR2 кусочек USART_CR2_RTOEN .

КПР

В F3 все нормально, и полином ставил, и размер менял, но пришлось сделать одно приседание:

uint16_t MB_GetCRC(uint8_t * buffer, uint32_t len) { MB_CRC_Init(); for(uint32_t i = 0; i < len; i++) *((__IO uint8_t *)&CRC->DR) = buffer[i]; return CRC->DR; }

Оказалось, что просто закидываем в регистр побайтно Д.

Р.

нельзя — расчет будет неверным, нужно использовать побайтовый доступ.

Я уже видел такие «фокусы» STM с SPI-модулем, в который хочется писать побайтно.

Задача

При необходимости вы можете вместо этого портMAX_DELAY установите значение таймаута, чтобы определить, что в течение определенного времени не было соединения.

Если пришло уведомление, мы обрабатываем посылку, генерируем ответ и отправляем ее, но если рама приходит сломанной или не на тот адрес, мы просто ждем следующую.

/*Handle Received frame*/ static uint32_t MB_TransactionHandler(uint8_t * frame, uint32_t len) { uint32_t txLen = 0; /*Check frame length*/ if(len < MB_MIN_FRAME_LEN) return txLen; /*Check frame address*/ if(!MB_CheckAddress(frame[0])) return txLen; /*Check frame CRC*/ if(!MB_CheckCRC(*((uint16_t*)&frame[len - 2]), MB_GetCRC(frame, len - 2))) return txLen; switch(frame[1]) { case MB_CMD_READ_REGS : txLen = MB_ReadRegsHandler(frame, len); break; case MB_CMD_WRITE_REG : txLen = MB_WriteRegHandler(frame, len); break; case MB_CMD_WRITE_REGS : txLen = MB_WriteRegsHandler(frame, len); break; default : txLen = MB_ErrorHandler(frame, len, MB_ERROR_COMMAND); break; } return txLen; }

Сам обработчик особого интереса не представляет: проверка длины кадра/адреса/CRC и формирование ответа или ошибки.

Эта реализация поддерживает три основные функции: 0x03 — чтение регистров, 0x06 — запись в регистр, 0x10 — запись нескольких регистров.

Обычно этих функций мне хватает, но при желании можно легко расширить функционал.

Итак, запуск:

int main(void) { NVIC_SetPriorityGrouping(3); xTaskCreate(MB_RTU_Slave_Task, "MB", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL); vTaskStartScheduler(); }

Для работы задачи достаточно размера стека 32 x uint32_t (или 128 байт); это именно тот размер, который я установил в Define configMINIMAL_STACK_SIZE .

Для справки: я изначально ошибочно предположил, что configMINIMAL_STACK_SIZE указывается в байтах, если не хватало, добавлял еще, однако при работе с контроллерами F0, где оперативной памяти меньше, пришлось один раз посчитать стек и получилось, что configMINIMAL_STACK_SIZE указан в размерах типа портSTACK_TYPE , который определен в файле portmacro.h

#define portSTACK_TYPE uint32_t

Заключение

Возможен перенос на другие семейства, например F0 поддерживает таймаут и RS485, но есть проблема с аппаратной CRC, поэтому можно обойтись программным методом расчета.

Также могут быть различия в обработчиках прерываний DMA; в некоторых случаях они сочетаются.

Ссылка на гитхаб Возможно, это будет кому-то полезно.

Полезные ссылки:

• Справочное руководство STM32F303 л
• Спецификация Modbus

• Новый Владелец Бренда Nokia Представил Android-Смартфон Стоимостью $246

  19 Oct, 24

• Positive Hack Days: Главное С Конференции По Защите Промышленных Предприятий От Киберугроз

  19 Oct, 24

• Где Находится Навигационный Чип В Смартфоне? Часть 2

  19 Oct, 24

• Компьютер На Луне

  19 Oct, 24

• Жесткий Диск Seagate Savvio 10K.4

  19 Oct, 24

• Инструмент Умножения На Основе Теоремы Слонимского

  19 Oct, 24

• Заметки Нового Менеджера Клиентского Проекта

  19 Oct, 24

• Мысли После Семинара «Надо Действовать!» Сеть, Стартап, Кризис И Возможности, Проводит Антон Носик

  19 Oct, 24

• Ммо В Реальном Мире, Или Инструкция По Созданию Живых Игр, Или Как Сделать Детям В Лагере Интересно

  19 Oct, 24

• Хабра-Люди По Версии Паблика

  19 Oct, 24