GD32E232的Modbus串口编程入门

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GD32单片机的串口编程，难点不在于串口发送字符串，而在于串口接收不定长字符串的编程。原厂例程，我参考的是GD32E232_Firmware_Library_V1.0.1\Examples\USART\Transmitter&receiver_interrupt，是针对定长度字符串的接收的，所以当遇到不定长字符串我就犯难了，幸好通常工程上都约定一条字符串以换行符’\n’作为本条字符串的结束符。而串口发送字符串，可以直接调用功能强大到没朋友的printf()函数。
上一篇几乎同名的文档《GD32E232串口编程 20221012》似乎有bug，而且是以换行符’\n’作为指令结束符，索性这次升版，支持接收不定长字符串指令，以实现modbus的交互。

1， 在main.c中将printf()函数重定向到USART0
因为标准库函数的默认输出设备是显示器而不是串口，要实现printf()到串口，必须重定义标准库函数里调用的与输出设备相关的函数即fputc()，将之输出指向指定序号的串口设备。该函数只需要放在main.c中就好，是被后台调用的。串口发送字符串，直接调用功能强大到没朋友的printf()函数就可以了，完全不需要自己编代码，很是方便。
//printf()重定向到USART0
int fputc(int ch, FILE *f)
{
usart_data_transmit(USART0, (uint8_t) ch);
while(RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE));
return ch;
}

2， 在main.c中的USART0初始化函数
串口初始化，主要是使能时钟、定位管脚、约定通信格式、使能中断四个部分。比如需要将GD32E232的PA9/PA10配置成USART0的Tx/Rx管脚。串口数据帧格式是：数据位8bit、停止位1bit、校验位0bit、波特率115200。
//USART0初始化
void USART0_init(void)
{
//1，时钟
//使能 COM 口所在的 GPOIA 的时钟
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
//使能 USART clock
rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);
//2，管脚
//指定 USART TxD=PA9, RxD=PA10，模式是 AF、推挽输出且内部上拉
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_9);
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_10);
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_9);
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_10);
gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_9);
gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_10);
//3，格式
//USART0 的帧格式定义及使能
usart_deinit(USART0); //复位 USART0
usart_word_length_set(USART0, USART_WL_8BIT); //数据位 8bit
usart_stop_bit_set(USART0, USART_STB_1BIT); //停止位 1bit
usart_parity_config(USART0, USART_PM_NONE); //校验位 0bit
usart_baudrate_set(USART0, 115200U); //波特率 115200
usart_receive_config(USART0, USART_RECEIVE_ENABLE);//使能接收机
usart_transmit_config(USART0, USART_TRANSMIT_ENABLE);//使能发射机
usart_enable(USART0); //使能 USART0
//4，中断
//使能串口接收机接收中断
usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_RBNE);
//串口中断优先级2级
nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 2);
}

3， gd32e232_it.c中的USART0中断服务程序
串口接收采用中断模式。所以MCU串口每收到一个字符都会进一次串口中断，导致MCU频繁进串口中断效率低下。将来可试试DMA模式。
MCU串口每收到一个字符，USART_INT_FLAG_RBNE标志位就会置1，则usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE)函数将返回1，if条件成立，则通过usart_data_receive(USART0)函数读取串口接收器FIFO中的字符并赋值到receiver_buffer[]字符串，同时累加已接收字符数计数器rxcount。如果当前接收到的字符是换行符’\n’，注意这是我们约定的一条串口指令的结束符，代码随即置标志位linefeed_received_flag=1。注意在main()函数主循环体中，如果探知到linefeed_received_flag=1就会引发串口指令的响应操作。
//USART0串口中断服务函数
void USART0_IRQHandler(void)
{
uint8_t Rchar;
if (RESET != usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE))
{
//从串口接收机FIFO中扣一个字符过来
Rchar = usart_data_receive(USART0);
//将次字符添加到receiver_buffer[]缓存的最后一位
receiver_buffer[rxcount++] = Rchar;
//在串口0中断服务程序中收到换行符，表示上位机已经发完一条完整指令
if (‘\n’ == Rchar)
{
linefeed_received_flag = 1;
}
}
}

4， main.c中main()对串口0的初始化和收到上位机一条指令的响应
当串口收到换行符结尾的字符串，linefeed_received_flag标志位会被置1。在main.c中while(1)主循环里，当判断到linefeed_received_flag=1，就会进入串口指令的响应的代码段，开始分析指令并执行响应操作。首先会清零linefeed_received_flag标志位，免得进入死循环；然后会将串口接收到的字符串转存到data_str[]字符串；进而清掉串口接收相关的相关全局变量，包括串口接收到的字符串变量receiver_buffer[]和串口已接收字符串长度rxcount。此后才开始分析指令并执行响应操作。
int main(void)
{
//初始化USART0
USART0_init();
//测试串口打印
printf(“Hello Modbus\n”);
//清零串口收到换行符标志位
linefeed_received_flag =0;

while (1) { //在串口0中断服务程序中已经收到一条完整指令（以换行符结尾的字符串）,则linefeed_received_flag=1 if (1 == linefeed_received_flag) { linefeed_received_flag = 0; //清零标志位 //转存接收字符串到 data_str strcpy(data_str, receiver_buffer); //为下一次处理接收字符串做好准备，清零串口接收相关的相关全局变量 memset(receiver_buffer, 0, sizeof(receiver_buffer)); rxcount = 0; //--------------判断 data_str[]，处理具体事务-------------- /*轮询使能或禁止*/ if ((SlaveID == data_str[0])) { printf(data_str); } } }

}

5， 烧录验证
复位后上位机串口应收到GD32上报的"Hello Modbus\n"，然后当上位机下发一行以”\n”做结束符的指令，且第一个字符和GD32的SlaveID相符，则GD32将收到的这条指令原封不动地上报，但如果第一个字符和GD32的SlaveID不相符，GD32不做出响应。

6， Modbus RTU的从机编程
Modbus RTU是基于16进制数组的数据交互，数据流中不可避免地会出现0x0A也就是”\n”换行符，所以item5拿”\n”做一条指令的结束符，就不行了，还是得回到modbus协议规定的，两个数据帧之间间隔应该大于3.5个字符时间，一条数据帧内部两个字符之间的间隙不能大于1.5个字符时间。所以Arduino的Modbus RTU从机例程，就是判断，当从机接收到一个字符之后，等待1.5个字符时间，发现串口接收机还未接收到新来数据，就默认主机已经发完一条完整指令了，就该转头去解析并执行指令了。
这显然是一种不定长度的串口从机编程，似乎颇具难度。幸好GD32有串口接收机超时中断机制，即当串口接收机接收到最后一个字符之后的指定时间，会产生一个超时中断，中断标志位USART_FLAG_RT将置1，注意读取该标志位并不会自动清零它，需要用户编代码清零。这部分代码我是参考了原厂例程《\Examples\USART\Receiver_timeout》，没搞定，再接着参考了网贴https://blog.csdn.net/wojiusuibiankan/article/details/124864414，看来是需要同时使能串口收端非空中断和串口收端超时中断，这个超时中断的标志位才能正确被触发。
终于初步实现了modbus的03操作码的响应。

以回读FW_Ver为例，是上报了2个byte的0x0001。
以回读MCU_SN为例，是上报了16个byte的系列号的16进制数，翻译成ASCII码就是"SN_GD32_12345678"。
以CRC错误指令为例，是上报了0x80+0x03的操作码，和0x01的错误代码。
目前已实现03多字节读和16多字节写两个功能码，下图是用串口助手演示的交互过程。

下面详细解释上位机发出modbus指令及下位机的响应。
1，寄存器首地址0x0000单word读，固件版本号
发出：01 03 00 00 00 01 84 0A //从寄存器首地址0x0000读0001个word数据，即回读1byte的版本号
设备地址 功能码 寄存器首地址 欲回读的word数量 校验码
01 03 00 00 00 01 84 0A
响应：01 03 02 00 01 79 84 //可见固件版本号0x0001被正确读出了
设备地址 功能码 已回读byte数量 寄存器word数据值 校验码
01 03 02 00 01 79 84

2，寄存器首地址0x0001多word读，16byte的MCU_SN
发出：01 03 00 01 00 08 15 CC //从寄存器首地址0x0001读0008个word数据，即回读16byte的MCU_SN
设备地址 功能码 寄存器首地址 欲回读的word数量 校验码
01 03 00 01 00 08 15 CC
响应：01 03 10 53 4E 5F 47 44 33 32 5F 31 32 33 34 35 36 37 38 7D 36 //可见MCU_SN被正确读出了
设备地址 功能码 已回读byte数量 寄存器word数据值 校验码
01 03 10 53 4E 5F 47 44 33 32 5F 31 32 33 34 35 36 37 38 7D 36

3，寄存器首地址0x0001多word写，再多word读，16byte的MCU_SN
发出：01 10 00 01 00 02 04 31 32 33 34 88 77 //往从寄存器首地址0x0001写2个word数据，即修改MCU_SN前4byte
设备地址 功能码 寄存器首地址 欲写入的word数量 欲写入的byte数量
01 10 00 01 00 02 04
欲写入的word数据值 校验码
11 12 13 14 5B A9
响应：01 10 00 01 00 02 10 08 //正确写入
设备地址 功能码 寄存器首地址 已写入的word数量 校验码
01 10 00 01 00 02 10 08

发出：01 03 00 01 00 08 15 CC //从寄存器首地址0x0001读0008个word数据
设备地址 功能码 寄存器首地址 欲回读的word数量 校验码
01 03 00 01 00 08 15 CC
响应：01 03 10 31 32 33 34 44 33 32 5F 31 32 33 34 35 36 37 38 7E C1 //可见MCU_SN被正确读出，而且前4byte已经被成功改写
设备地址 功能码 已回读byte数量 寄存器word数据值 校验码
01 03 10 31 32 33 34 44 33 32 5F 31 32 33 34 35 36 37 38 7E C1

4，寄存器首地址0x0001多word写，16byte的MCU_SN，但忘加校验码
发出：01 10 00 01 00 02 04 11 12 13 14 //往从寄存器首地址0x0001写2个word数据，即修改MCU_SN前4byte
设备地址 功能码 寄存器首地址 欲写入的word数量 欲写入的byte数量
01 10 00 00 00 02 04
欲写入的word数据值 校验码
11 12 13 14 无
响应：01 90 01 8D C0 //报错，功能码在原始值基础上加0x80，错误代码01
设备地址 功能码 错误代码 校验码
01 90 01 8D C0