摘 要：隨著計算機網(wǎng)絡、通訊、控制等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次?；诂F(xiàn)場總線的智能儀表對現(xiàn)場總線技術在我國的推廣應用具有非常重要的意義。本文在Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議的基礎上設計了一個工業(yè)溫度控制系統(tǒng)。 關鍵詞：現(xiàn)場總線; ModBus協(xié)議; 單片機控制 一、ModBus協(xié)議簡介 　　當今世界，工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制。在進入網(wǎng)絡時代的今天，工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡管理提供了方便。ModBus協(xié)議就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡協(xié)議中的一種。ModBus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的一種用于電子控制器進行控制和通訊的通訊協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標準化使它成為一個通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以簡單可靠地連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行系統(tǒng)的集中監(jiān)控，從而使它成為最流行的協(xié)議之一。 　　ModBus協(xié)議包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。標準的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口， RS-232C規(guī)定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息，ModBus的ASCII, RTU協(xié)議則在此基礎上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結構、命令和應答的方式。ModBus控制器的數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave方式（主/從），即Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應請求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。 　　ModBus可以應用在支持ModBus協(xié)議的PLC和PLC之間、PLC和個人計算機之間、計算機和計算機之間、遠程PLC和計算機之間以及遠程計算機之間（通過Modem連接），可見ModBus的應用是相當廣泛的。由于ModBus是一個事實上的工業(yè)標準，許多廠家的PLC, HMI、組態(tài)軟件都支持ModBus，而且ModBus是一個開放標準，其協(xié)議內容可以免費獲得，一些小型廠商甚至個人都可根據(jù)協(xié)議標準開發(fā)出支持ModBus的產(chǎn)品或軟件，從而使其產(chǎn)品聯(lián)入到ModBus的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中。因此，ModBus有著廣泛的應用基礎。在實際應用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯(lián)網(wǎng)。所以，ModBus的傳輸介質種類較多，可以根據(jù)傳輸距離來選擇。 二、ModBus協(xié)議的通訊格式 　　ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用何種模式由用戶自行選擇，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等）。在配置每個控制器的時候，同一個ModBus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。 　　2.1 ASCII模式 　　當控制器設為在ModBus網(wǎng)絡上以ASCII模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。 　　表1 ASCII模式的消息幀 　　如表1所示，使用ASCII模式，消息以冒號（：）字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車換行符（ASCII碼0DH, 0AH）作為結束符。傳輸過程中，網(wǎng)絡上的設備不斷偵測“：”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備就解碼下個位的地址域，來判斷是否發(fā)給自己的。與地址域一致的設備繼續(xù)接受其它域，直至接受到回車換行符。除起始位和結束符外，其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0…9，A…F，當然也要用ASCII碼表示字符。當選用ASCII模式時，消息幀使用LRC（縱向冗長檢測）進行錯誤檢測。 　　2.2RTU模式 　　當控制器設為RTU模式時，消息幀中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。 　　表2 RTU模式的消息幀 　　該模式下消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸過程中，網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間內。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到，相應的設備就對接下來的傳輸字符進行解碼，一旦有至少3. 5個字符時間的停頓就表示該消息的結束。 　　在RTU模式中整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉輸，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個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發(fā)生的話，必然會導致CRC校驗產(chǎn)生一個錯誤消息，反饋給發(fā)送方設備。 　　當控制器設為RTU（遠程終端單元）模式通信時，消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種模式與ASCII模式相比在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。 三、系統(tǒng)設計 　　本文所設計的系統(tǒng)是一個基于modbus的工業(yè)控制網(wǎng)絡，它主要由實現(xiàn)現(xiàn)場控制功能的智能控制儀表、實現(xiàn)對智能控制儀表在線配置與監(jiān)控功能的主機兩部分組成。作為從機的現(xiàn)場智能控制儀表主要任務有：實現(xiàn)現(xiàn)場溫度采集、輸出控制、顯示、系統(tǒng)配置以及響應主機激勵;主機的主要任務是在線配置從機、監(jiān)控從機從而得到相應從機的狀態(tài)、歷史溫度數(shù)據(jù)分析;兩者之間的通訊是基于現(xiàn)場總線技術的。 　　3.1 系統(tǒng)的硬件設計 　　系統(tǒng)主要由通訊電路（輸入）、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、LCD顯示、通信及電源模塊等組成。如圖1所示，系統(tǒng)具有對外界溫度信號進行采集的能力，采集的模擬信號經(jīng)A/D模塊轉換為相應的數(shù)字量，送入微處理器進行處理。采集到的每一路溫度都要與系統(tǒng)此路的溫度設定值進行比較，然后根據(jù)結果調用合適的控制算法，并通過控制相應的繼電器的占空比實現(xiàn)對溫度的調節(jié)。 　　考慮到系統(tǒng)實際應用，在硬件設計方面，微控制器選用了臺灣Syncmos公司生產(chǎn)的8位微控制器SM5964, 它是80C52 微控制器家族的派生產(chǎn)品，其強大的片內資源，只需添加少量的外圍器件即可實現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測量利用Pt（100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經(jīng)A/D模塊轉換后送入微處理進行處理。模數(shù)轉換器選用凌特公司（Linear Technology）推出的20位無延遲模數(shù)轉換器LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進行處理，并能夠滿足精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關的器件。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結構框圖[/align] 　　由于篇幅關系，只介紹本系統(tǒng)通信部分的電路原理。由于標準的ModBus物理層采用了RS-232串行通信標準，在PC機上模擬MODBUS通信通過使用RS-485插卡或者RS-232/ RS-485轉換模塊，實現(xiàn)多點通信，這里選用的是RS-232/RS-485轉換模塊。電路圖如圖2所示： [align=center] 圖2 通信電路原理圖[/align] 　　SM5964的串行發(fā)送端口TXD和接收端口RXD經(jīng)MAX232芯片進行電平轉換后，分別與PC機的數(shù)據(jù)接收端口RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送端口TXD相連接。SM5964串行通信的發(fā)送端TXD連接到的11引腳，發(fā)出的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過MAX232芯片轉換后，由0～5V的TTL電平變?yōu)?12～+12V的RS232電平，從14引腳輸出到PC機串行口的第二引腳。按RS232通信協(xié)議規(guī)定，PC機串行口的第二引腳為數(shù)據(jù)輸入端，這樣，發(fā)出的數(shù)據(jù)就可被PC機接收到。由PC機串行口的發(fā)送端TXD（PC機串行口的第三引腳）傳輸來的數(shù)據(jù)，作為RS232電平的信號輸入到MAX232芯片的第13引腳，經(jīng)過MAX232芯片進行電平轉換后變?yōu)門TL電平，再由MAX232的12引腳輸出到SM5964串行口的接收端口RXD。從而完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 　　在設計中，使用了兩個發(fā)光二極管D7和D8監(jiān)視通信的工作狀態(tài)。 　　3.2 系統(tǒng)的軟件設計 　　本系統(tǒng)的軟件設計是基于軟件開發(fā)平臺μC/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個開放式內核，最主要的特點就是源碼公開，清晰明了。在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增強系統(tǒng)的可靠性，并使得調試程序變得簡單起來。但由于它沒有功能強大的軟件包，基于具體應用需要自己編寫驅動程序，對內核進行擴充。為使其能夠正常工作，要根據(jù)具體的硬件平臺完成相應的移植工作。μC/OS-II是一個占先式的內核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務的CPU使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內核要好。根據(jù)要實現(xiàn)的功能，我將系統(tǒng)劃分為如下6個任務：按鍵處理、LCD顯示、串行通信、輸出任務、控制運算、信號采集處理。這里只介紹和ModBus總線協(xié)議相關的部分。 　　當選用的是ModBus的RTU模式時，一幀報文中字節(jié)與字節(jié)之間的時間間隔比幀與幀之間的時間間隔小得多，因此主要的難點在于如何判斷一幀報文接收結束與否，這可以利用單片機內置的定時器來進行判斷。若實際實現(xiàn)時，我們選擇了19200的傳輸速率，那么空閑間隔時間T≥1/19200＊8＊3.5=1.5ms。每當接收到一個新的字節(jié)，就啟動定時器開始計時，定時器的時間設定為幀與幀之間的最小時間間隔（上面提到的例子中是1.5ms）。波特率不同，該時間的間隔也不同。若不到預定時間又接收到下一個字節(jié)，則說明一幀報文尚未結束，定時器重新開始計數(shù);若定時器順利計數(shù)到預定時間，就會觸發(fā)相應的中斷，在該定時中斷服務程序中設定幀結束標志字節(jié)，表明一幀報文接收完畢。這樣就可以防止報文接收不完整，導致該幀通訊任務無法結束而影響下一幀的接收。 [align=center] 圖3 接收程序流程圖[/align] 　　如圖3所示，在一個幀開始接收時判斷接收的第一個字節(jié)是否為本機地址，如果是則保存到接收緩沖區(qū)中，不是則繼續(xù)等待下一幀報文的到來，這樣節(jié)省了保存數(shù)據(jù)的時間，接收中斷服務程序只是保存數(shù)據(jù)而不處理數(shù)據(jù)，只是在一幀新的報文接收結束后，通知系統(tǒng)（通過發(fā)出信號量來實現(xiàn)）;ModBus協(xié)議還規(guī)定了從方接收報文不正確時發(fā)問的出錯幀?？紤]到裝置內部通信的過程不是很復雜，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;若多次末收到從方應答報文，則報通訊故障。上面的措施大大縮短了中斷服務程序的執(zhí)行時間，防止了系統(tǒng)資源的無謂浪費。 　　在數(shù)據(jù)處理方面設計了一個環(huán)形的緩沖區(qū)，用來存放接收到的數(shù)據(jù)，這個緩沖區(qū)是一個兩維數(shù)組。假設一個幀不超過12個字節(jié)，可以定義了一個5＊12的二維數(shù)組。數(shù)組的第一個元素是標志位，前四位用來表示數(shù)據(jù)是否已經(jīng)處理，后四位存放接收的數(shù)據(jù)的個數(shù);每接收一個幀的數(shù)據(jù)，數(shù)組下移一個。當接收的數(shù)據(jù)要覆蓋未處理數(shù)據(jù)時系統(tǒng)報警，這種情況一般不會發(fā)生，因為數(shù)據(jù)處理程序在本系統(tǒng)中被設成優(yōu)先級最高。 　　在ModBus協(xié)議中另外一個問題就是CRC校驗和的計算問題，一般情況下它是由硬件電路直接產(chǎn)生的，這樣速度比較快，系統(tǒng)負載小;但是在本文中介紹的單片機中沒有這種專用電路，而且一般的中低端的單片機一般也不具有這種專用電路。這里我們只有充分利用現(xiàn)有的資源，如果直接計算的話，單片機負載很大，而且浪費了大量的系統(tǒng)時間，影響系統(tǒng)的實時性，考慮到我所使用的MCU的Flash ROM比較大，可以存儲大量的常量線性表數(shù)據(jù)，利用查表方式可以非常方便的計算出CRC校驗碼。 四、結束語 　　在本文中比較詳細地介紹了ModBus總線協(xié)議，并最終設計了一個實現(xiàn)多點溫度測量和控制的使用系統(tǒng)，希望本系統(tǒng)對類似的通訊應用有所幫助。 參考資料 　　1. Modicon ModBus Protocol Reference Guide.PI一MBUS一300 Rev. J 　　2. Mark Nelson著.串行通訊開發(fā)指南. 北京：中國水利水電出版社，2000 　　3. 王田苗主編.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā). 北京：清華大學出版社，2002