基于MODBUS總線高壓軟起動裝置液晶顯示界面的設(shè)計

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)自動控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。實現(xiàn)不同種自動化設(shè)備之間通信是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵?，F(xiàn)場控制設(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、一致，使系統(tǒng)具備開放性，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。控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，將符合同一標(biāo)準(zhǔn)的各種智能設(shè)備統(tǒng)一起來，徹底實現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)的分散控制，將提高系統(tǒng)集成度和數(shù)據(jù)傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統(tǒng)抗干擾性能和擴展系統(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)議簡介

MODBUS協(xié)議具有偵錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點，因而成為目前自控領(lǐng)域使用非常廣泛的通訊語言。本文通過一個應(yīng)用實例介紹如何利用單片機編程實現(xiàn)在線通訊ModBUS消息的工作過程，在可視化語言環(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。MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通訊語言。利用這個協(xié)議，控制器相互之間（例如485、232C等），控制器通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間進行通訊。它定義了一種控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是通過何種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；描述的是控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵錯并記錄；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)備來規(guī)定，如：主站一次可向一個或所有從站發(fā)送通信請求（或指令），主設(shè)備通過消息幀的地址域來選通從設(shè)備。主站發(fā)送的消息幀的內(nèi)容和順序為：從站地址（設(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，同時還定義了出錯碼，標(biāo)志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據(jù)錯誤的原因采取相應(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8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：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位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F。

· 消息中的每個8位域都是一個兩個十六進制字符組成每個字節(jié)的位。

· 1個起始位。

· 8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送。

· 1個奇偶校驗位，無校驗則無。

· 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）。

· 錯誤檢測域，CRC（循環(huán)冗長檢測）。

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蔚拿恳晃唬约皼Q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

（1）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：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

（2）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)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(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)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個變量被選中，判知何時信息已完成。部分消息也能偵測到錯誤并且能設(shè)置為返回結(jié)果。使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€域是變量地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。

整個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1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。所以在通訊端口初始化時，Timer1定時間隔設(shè)置為500ms。

2.4 MODBUS的CRC校驗原理

CRC校驗實現(xiàn) MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個字節(jié)用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）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)定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節(jié)的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續(xù)的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，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錯誤應(yīng)答。 RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實現(xiàn)CRC校驗有兩種方法：根據(jù)CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現(xiàn)，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應(yīng)的碼組系數(shù)為18005H（16進制），去除最高位，對應(yīng)的16位余數(shù)為8005H，即為CRC-16常數(shù)。CRC-16校驗過程如下：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)進行異或，結(jié)果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，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)進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復(fù)上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數(shù)據(jù)異或并進行如前一樣的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，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。RTU模式的傳輸格式是1個數(shù)據(jù)位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。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)過的時間判斷一幀的開始，如果經(jīng)過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設(shè)備就會放棄該幀，并設(shè)下一個字符為新一幀的開始，應(yīng)用程序中，MODBUS協(xié)議通信由通訊子模塊實現(xiàn)，包含CRC-16計算與驗證、信息幀的編制和分解。

3 MODBUS通訊應(yīng)用

下面是基于單片機MSP430F149為主芯片的高壓軟起動裝置液晶操控板，以此為例來說明MODBUS通訊的應(yīng)用。MODBUS通訊主設(shè)備是DSP控制器，從設(shè)備是高壓軟起動裝置液晶操控板。

3.1 液晶操控板MODBUS通訊測試碼

/*****************************MODBUS通訊測試碼*****************************

召喚發(fā)送：

00 06

00 00 00 0C 1E 88

電壓、電流監(jiān)測功能：

00 03

1C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0D 8D

故障顯示功能：

00 02

18 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 20 34

*****************************MODBUS通訊測試碼*****************************/