一種基于MODBUS總線高壓軟起動(dòng)裝置液晶顯示界面的設(shè)計(jì)

1 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)不同種自動(dòng)化設(shè)備之間通信是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。通信標(biāo)準(zhǔn)的公開(kāi)、一致，使系統(tǒng)具備開(kāi)放性，設(shè)備間具有互可操作性。功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性?？刂乒δ芟路诺浆F(xiàn)場(chǎng)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將符合同一標(biāo)準(zhǔn)的各種智能設(shè)備統(tǒng)一起來(lái)，徹底實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分散控制，將提高系統(tǒng)集成度和數(shù)據(jù)傳輸效率、延長(zhǎng)有效控制距離，并有利于提高系統(tǒng)抗干擾性能和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。基于Modbus協(xié)議的串口通信是較常用的方式之一。

　　2 MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)介

　　MODBUS協(xié)議具有偵錯(cuò)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，因而成為目前自控領(lǐng)域使用非常廣泛的通訊語(yǔ)言。本文通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例介紹如何利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)在線通訊ModBUS消息的工作過(guò)程，在可視化語(yǔ)言環(huán)境下完成地址域、功能代碼域、數(shù)據(jù)域的分配及CRC校驗(yàn)。MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通訊語(yǔ)言。利用這個(gè)協(xié)議，控制器相互之間（例如485、232C等），控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間進(jìn)行通訊。它定義了一種控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是通過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；描述的是控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵錯(cuò)并記錄；制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。MODBUS通訊規(guī)約按照主從設(shè)備來(lái)規(guī)定，如：主站一次可向一個(gè)或所有從站發(fā)送通信請(qǐng)求（或指令），主設(shè)備通過(guò)消息幀的地址域來(lái)選通從設(shè)備。主站發(fā)送的消息幀的內(nèi)容和順序?yàn)椋簭恼镜刂罚ㄔO(shè)備地址）、功能碼、數(shù)據(jù)域（數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)內(nèi)容）、CRC校驗(yàn)碼；從站應(yīng)答的信息內(nèi)容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時(shí)還定義了出錯(cuò)碼，標(biāo)志出錯(cuò)信息。主站接收到錯(cuò)誤碼后，根據(jù)錯(cuò)誤的原因采取相應(yīng)的措施。從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)內(nèi)容依據(jù)功能碼進(jìn)行響應(yīng)。例如功能代碼03要求讀取從站設(shè)備中保持寄存器的內(nèi)容。

　　2.1 MODBUS通訊傳輸模式

　　MODBUS通訊實(shí)現(xiàn)有兩種傳輸模式（ASCII或RTU），ABB公司的50系列PLC產(chǎn)品采用的是RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

　　代碼系統(tǒng)：

　　· 8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F。

　　· 消息中的每個(gè)8位域都是一個(gè)兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位。

　　· 1個(gè)起始位。

　　· 8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送。

　　· 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)。

　　· 1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)Bit（無(wú)校驗(yàn)時(shí)）。

　　· 錯(cuò)誤檢測(cè)域，CRC（循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)）。

　　基于RS485的RTU模式MODBUS通訊格式為：

　　它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。

　　2.2 MODBUS通訊查詢回應(yīng)功能

　?。?）查詢 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開(kāi)始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。

　?。?）回應(yīng) 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

　　2.3 MODBUS消息幀

　　傳輸設(shè)備將MODBUS消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開(kāi)始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)變量被選中，判知何時(shí)信息已完成。部分消息也能偵測(cè)到錯(cuò)誤并且能設(shè)置為返回結(jié)果。使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是變量地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。

　　整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開(kāi)始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。所以在通訊端口初始化時(shí)，Timer1定時(shí)間隔設(shè)置為500ms。

　　2.4 MODBUS的CRC校驗(yàn)原理

　　CRC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn) MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個(gè)字節(jié)用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行XOR（異或）計(jì)算，即可得到2字節(jié)的CRC碼，并把包含CRC校驗(yàn)碼的信息幀作為一連續(xù)的流進(jìn)行傳輸。接收方在收到該信息幀時(shí)按同樣的方式進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果同收到的CRC碼的雙字節(jié)比較，如果一致就認(rèn)為通信正確，否則認(rèn)為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯(cuò)誤應(yīng)答。 RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗(yàn)方法，CRC-16的校驗(yàn)碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)有兩種方法：根據(jù)CRC校驗(yàn)的定義公式進(jìn)行計(jì)算，或者在程序中建立CRC校驗(yàn)值表。在程序中使用前者更容易實(shí)現(xiàn)，這里需要使用CRC生成多項(xiàng)式X16＋X15＋X2＋1。該多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)的碼組系數(shù)為18005H（16進(jìn)制），去除最高位，對(duì)應(yīng)的16位余數(shù)為8005H，即為CRC-16常數(shù)。CRC-16校驗(yàn)過(guò)程如下：將CRC寄存器的每一位預(yù)置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，結(jié)果存于該寄存器；對(duì)CRC寄存器從高到低進(jìn)行移位，在最高位（MSB）的位置補(bǔ)零，而最低位（LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數(shù)進(jìn)行異或，否則如果LSB為零，則無(wú)需進(jìn)行異或。重復(fù)上述的由高至低的移位8次，第一個(gè)8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時(shí)寄存器的值與下一個(gè)8bit數(shù)據(jù)異或并進(jìn)行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時(shí)，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。RTU模式的傳輸格式是1個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位。通信數(shù)據(jù)安全由控制參數(shù)CRC-16碼保證。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過(guò)的時(shí)間判斷一幀的開(kāi)始，如果經(jīng)過(guò)3個(gè)半的字符時(shí)間后仍然沒(méi)有新的字符或者沒(méi)有完成幀，接收設(shè)備就會(huì)放棄該幀，并設(shè)下一個(gè)字符為新一幀的開(kāi)始，應(yīng)用程序中，MODBUS協(xié)議通信由通訊子模塊實(shí)現(xiàn)，包含CRC-16計(jì)算與驗(yàn)證、信息幀的編制和分解。