利用MODBUS提高多CPU協(xié)同開發(fā)效率

表1 MODBUS協(xié)議中的標準功能碼

由功能碼的定義可以看出，傳送的報文對象主要分為模擬量和數(shù)字量兩類，由報文頭的功能碼來確定報文的內容。在實際應用中，主要使用02、04、05和06這四種功能碼，完成對數(shù)字量和模擬量的讀取及設置。

數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)量是報文的主要內容。MODBUS規(guī)定的數(shù)據(jù)量是從通信對象的器件中讀取的數(shù)據(jù)或是往通對象的器件中寫入的數(shù)據(jù)。每個通信對象器件都有自己的地址。在保護裝置的內部通信中，指定各通信對象器件為主機板的RAM中保存的數(shù)字量和模擬量，以及EEPROM中設定的保護配置和定值。在處理通信報文時，由報文的數(shù)據(jù)起始地址和對應的數(shù)據(jù)量長度進行讀取或發(fā)送任務。當傳送數(shù)字量時，不同地址的數(shù)據(jù)值用報文中數(shù)據(jù)量不同的位來表示，這樣就能傳送更多的數(shù)據(jù)信息，從而高效地利用通信報文。由于每幀數(shù)據(jù)不定長，方便靈活，因而避免了固定幀長造成的對CPU時間和內存空間的浪費。另外，MODBUS通信協(xié)議規(guī)定在通信字符串中的地址比實際地址小“1”，這對數(shù)組進行操作時是一個方便之處。

報文末的兩個字節(jié)為校驗字節(jié)。RTU方式通信采用CRC-16位循環(huán)碼冗余校驗，即將整個字符串（不包括最后兩個字節(jié)）按規(guī)定的方式進行位移并進行異或計算，計算結果存在字符串的最后兩個字節(jié)內，并由接收方按同樣的計算方法進行校驗是否一致。這種校驗方法對隨機或突發(fā)差錯造成的幀破壞有很好的校驗效果。

3 提高通信效率的措施

在確立硬件平臺和通信協(xié)議后的軟件設計過程中，筆者采用了很多方法提高通信的效率和可靠性。

3.1 將通信分為接收和發(fā)送兩個獨立的任務[3]

80C196單片機可以使用查詢和中斷兩種方法通過串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對于中斷方式，80C196單片機提供了兩種串口中斷方式：第一種方式為一個單獨的串口中斷，由中斷屏蔽寄存器INT_MASK的D6位控制，對應中斷向量200CH，串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT（11H）的D5（發(fā)送完標志TI）和D6（接收完標志RI）置位都將觸發(fā)該中斷；第二種方式為接收、發(fā)送分別設置了中斷號，使用INT_MASK1的D0位對應發(fā)送中斷，中斷向量2030H，TI置位觸發(fā)該中斷；INT_MASK1的D1位對應收中斷，中斷向量2032H，RI置位觸發(fā)該中斷。筆者采用了第二種通信方式。這樣每接收完或發(fā)送完一個字節(jié)后就觸發(fā)相應的中斷，直接進行下一輪的接收、發(fā)送任務，而不必判斷串口控制/狀態(tài)寄存器SP_CON/SP_STAT（11H），使得中斷子程序更為簡練、高效。

3.2 盡量縮短中斷時間

由于設計軟件結構時使用了多個中斷，為了保證程序的可靠運行，減少不同不斷間互沖突的機率，在編制軟件時盡可能簡練各種中斷的任務，縮短中斷執(zhí)行時間。在通信中斷子程序中，進入中斷后執(zhí)行必要的任務，如：清串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT中相應的狀態(tài)位，將剛接收到的字符或需要發(fā)送的字符從緩沖區(qū)內讀出或寫入緩沖區(qū)，已接收或發(fā)送字符數(shù)增1等，之后便立即退出中斷。其它任務如判斷幀的有效性、對接收幀命令（遙測、遙控命令）的應答，準備發(fā)送幀等，都放在主程序中完成。

3.3 可靠地判斷幀結束，防止通信停滯

利用單獨的軟件定時器，來判斷一幀接收報文結束，可以防止若報文接收不完整，該幀通信任務無法結束而影響下一幀的接收。

由于一幀報文中字節(jié)與字節(jié)之間的時間間隔和幀與幀之間的時間間隔相比要小得多，因此每當接收一個新字節(jié)，就啟動軟件定時器開始計時，定時器的時間設定為幀與幀的最小時間間隔。波特率不同，該時間間隔也不同。若不到預定的時間內又接收到下一個字節(jié)，則說明一幀報文未結束，定時器重新計時；若定時器順利計數(shù)到預定時間，就會觸發(fā)相應的中斷號，在該定時器中斷子程序中設定幀結束標志字節(jié)，表明一幀報文接收完畢。當主程序內檢測到一幀報文接收完畢后，會通過核查從方地址及循環(huán)冗余校驗字節(jié)是否正確來判斷該幀的有效性。若確定接收到的是一幀發(fā)送給已方的正確報文，則會根據(jù)報文內的功能碼對該幀命令進行相應的處理，并準備發(fā)送幀。

MODBUS協(xié)議還規(guī)定了從方接收報文不正確時發(fā)回的出錯幀?？紤]到裝置內部通信的過程不很復雜，在實際應用中如果從方收到的報文校驗不正確，采取不作應答的方式。主方若在規(guī)定時間內未收到從方的應答報文時，將重發(fā)請求報文；若多次未收到從方應答報文，則報通訊故障。

3.4 通信速率的確定

由于所開的裝置都在同一機箱內，模塊與模塊之間的間距很短，而MODBUS是基于RS485的長距離通信，可以不考慮距離對通信波特率的影響，并且由于采用主從式通信模式，不會出現(xiàn)線路堵塞現(xiàn)象。因此，僅從通信效率來看，只要不超過模塊所使用芯片對最高波特率的限制，則設定的波特率越高，信息交互越快，通信效率也越高。但是，對于實時多任務系統(tǒng)，必須注意各任務的協(xié)調。MODBUS通信協(xié)議中只對各種通信報文格式作了規(guī)定，對通信波特率和奇偶校驗等不作硬性規(guī)定。當一幀報文的長度較長，而波特率又很高，會導致CPU忙于處理通信而可能丟失其它實時性任務，如實時采樣等。因此，選擇通信波特率時必須注意與其它任務相協(xié)調，而不是越高越好。在實際應用中，將波將率設置到19200bps，系統(tǒng)調調運作。由于設定通信雙方波特率完全一致，可以使接收端對每一個數(shù)據(jù)位的采樣都發(fā)生在位周期的中點，實現(xiàn)可靠通信。另外，在字符傳送時不使用奇偶校驗位，以此相對提高了有效字節(jié)傳遞的速率。

3.5 合理的調試方法

在開發(fā)初期，使用仿真器等工具只能對單一CPU模塊進行實時監(jiān)測，而無法同時監(jiān)測串行通信雙方，難以確定問題所在，使調試效率受到很大影響。因此先將各CPU模塊分別通過RS485/RS232數(shù)據(jù)轉換模塊與微機進行通信測試，成功后再進行模塊間聯(lián)調，大大提高了聯(lián)調的效率。在調試各模塊與微機通信的過程中，微機使用MODBUS調試軟件，模仿主方的通信過程，主動向從方（各CPU模塊）索要信息。整個接收、發(fā)送過程都是透明、清晰的，使得模塊中存在的絕大多數(shù)問題都能在與微機通信的過程發(fā)現(xiàn)并及時解決。CPU模塊間聯(lián)調時，可以利用總線監(jiān)控軟件，觀察雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)。當遇到通信問題的時候，就能比較容易地確定是哪一個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)不正確，從而確定問題所在。采用這樣的調試方法，大大增強了不同開發(fā)人員、不同CPU之間的協(xié)調性，提高了裝置研發(fā)的效率和進度。