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。現(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

　?。?）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。

　　3   MODBUS通訊應(yīng)用

　　下面是基于單片機(jī)MSP430F149為主芯片的高壓軟起動(dòng)裝置液晶操控板，以此為例來(lái)說(shuō)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(dòng)裝置液晶操控板。

　　3.1   液晶操控板MODBUS通訊測(cè)試碼

　　/*****************************MODBUS通訊測(cè)試碼*****************************

　　召喚發(fā)送：

　　00 06

　　00 00 00 0C 1E 88

　　電壓、電流監(jiān)測(cè)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(cè)試碼*****************************/

　　2：對(duì)以上測(cè)試碼分別進(jìn)行說(shuō)明：

　　（1）：召喚發(fā)送，參數(shù)設(shè)置功能：即控制器（DSP）與液晶屏（430）之間的通訊，是雙向的。

　　00 06

　　00 00 00 0C 1E 88

　　以上這段代碼是DSP傳給430的召喚代碼，含義（代碼從左到右）是：00：設(shè)備代碼。本系統(tǒng)中從設(shè)備只有高壓軟起動(dòng)裝置液晶操控板一個(gè)設(shè)備，故設(shè)備代碼設(shè)置為00。06：功能碼，實(shí)現(xiàn)何種功能（本例中，06是雙向召喚發(fā)送功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置；03功能碼實(shí)現(xiàn)電壓、電流監(jiān)測(cè)功能；02功能碼實(shí)現(xiàn)故障顯示功能）。00 00：是起始地址的高八位、低八位。00 0C：是DSP要求430回傳字節(jié)的個(gè)數(shù)（不包括設(shè)備代碼、功能碼、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)代碼、和校驗(yàn)代碼），00是個(gè)數(shù)的高八位、0C是個(gè)數(shù)的低八位，0C是十六進(jìn)制（轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制是12，12是從“起動(dòng)時(shí)間、額定電流——備用 3”的個(gè)數(shù)），1E 88：是CRC校驗(yàn)碼。當(dāng)DSP給430傳

　　00 06

　　00 00 00 0C 1E 88

　　代碼時(shí)，430先將這8個(gè)字節(jié)保存到一個(gè)臨時(shí)數(shù)組RX[]中，然后分別對(duì)這8個(gè)字節(jié)進(jìn)行判斷（1E 88是校驗(yàn)查表得出來(lái)的代碼），如果檢驗(yàn)正確，就會(huì)把要回傳給DSP的字節(jié)放到can_s[]數(shù)組中發(fā)出去，發(fā)送到DSP。以下代碼就是430接到

　　00 06

　　00 00 00 0C 1E 88

　　判斷正確后，回傳給DSP的代碼。00 06：是設(shè)備代碼、功能碼。18：回傳的字節(jié)個(gè)數(shù)（十六進(jìn)制18就是十進(jìn)制24）。B6 8F是回傳的校驗(yàn)代碼。中間的24個(gè)字節(jié)（00），每?jī)蓚€(gè)字節(jié)（00）分別對(duì)應(yīng)“起動(dòng)時(shí)間、額定電流——備用 3”，之所以全是00 ，是因?yàn)闆](méi)有設(shè)置參數(shù)，在液晶屏上設(shè)置參數(shù)，相應(yīng)的高低位也跟著變化。

　　00 06

　　18 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 B6 8F

　?。?）：電壓、電流監(jiān)測(cè)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

　　同理00 03 1C是設(shè)備地址、功能碼、DSP傳給430的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（1C是十六進(jìn)制，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制是28，包括1C在內(nèi)，不包括00 03 0D 8D）。當(dāng)430接收到

　　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

　　時(shí)，會(huì)將接收到的字節(jié)分別存到可用數(shù)組里，在利用可用數(shù)組進(jìn)行顯示。

　　DSP下傳：

　　00（設(shè)備代碼）03（功能碼）1C（個(gè)數(shù)14*2） 00H（電壓高位）00L（電壓低位）

　　。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

　　00H（備用12高位）00L（備用12低位）CRCH（高位）CRCL（低位）

　?。?）：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

　　同理00 02 18是設(shè)備地址、功能碼、DSP傳給430的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（18是十六進(jìn)制，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制是24，包括18算內(nèi)，不包括00 02 20 34）。當(dāng)430接收到

　　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

　　時(shí)，會(huì)將接收到的字節(jié)分別存到可用數(shù)組里，在利用可用數(shù)組進(jìn)行顯示。

　　DSP下傳：

　　00（設(shè)備代碼）02（功能碼）18（個(gè)數(shù)） 00（啟動(dòng)中）。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

　　。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。00（三相不平衡）CRCH（高位）CRCL（低位）

　　高壓軟起動(dòng)裝置液晶操控板

　　高壓軟起動(dòng)裝置液晶操控板

　　結(jié)語(yǔ)

　　由于MODBUS串行通訊技術(shù)有著實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、系統(tǒng)集成費(fèi)用低以及通訊距離遠(yuǎn)（RS485/422）等特點(diǎn)，所以，在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也都很廣泛。MODBUS通訊在現(xiàn)場(chǎng)給調(diào)試人員及編程人員也帶來(lái)很大方便。因此，伴隨著多種通訊方式可以融合并存的發(fā)展趨勢(shì)，MODBUS串行通訊技術(shù)仍會(huì)保持廣泛的應(yīng)用前景。