摘 要：本文主要介紹Modbus RTU規(guī)約，及在VB6.0編程環(huán)境下通過(guò)RS-485串口實(shí)現(xiàn)主控臺(tái)PC機(jī)與智能儀表間基與該規(guī)約通信的具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：Modbus RTU;通信協(xié)議;RS-485;CRC校驗(yàn)

1 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始向生產(chǎn)和管理自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。各種智能儀表不斷地應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)控制方面，RS-485總線由于平衡差分傳輸特性具有的干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn) 、有較大級(jí)連能力等特點(diǎn)，非常適合于組成工業(yè)級(jí)的多機(jī)通信系統(tǒng)。ModBus RTU規(guī)約是Modicon公司的注冊(cè)商標(biāo)，是目前國(guó)際智能化儀表普遍采用的主流通訊協(xié)議之一。在各個(gè)工業(yè)儀器儀表大量使用的今天，Modbus RTU協(xié)議和RS-485總線得到了最為廣泛的應(yīng)用。本文主要從應(yīng)用的角度介紹在一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的具體方案。

2 Modbus RTU 通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

（1） Modbus RTU協(xié)議簡(jiǎn)介

ModBus RTU通訊協(xié)議是Modicon公司的注冊(cè)商標(biāo)。采用主從問(wèn)答方式工作，其規(guī)范已在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上公布，是目前國(guó)際智能化儀表普遍采用的主流通訊協(xié)議之一。目前，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)商已在他們的產(chǎn)品和系統(tǒng)中遵循該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議有兩種傳輸模式即RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息幀中的8位數(shù)據(jù)包括兩個(gè)4位16進(jìn)制字符，相對(duì)于ASCII模式，RTU模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。因此通常情況下，一般工業(yè)智能儀器儀表都是采用RTU模式的Modbus規(guī)約。

（2） Modbus 通信格式

當(dāng)通訊命令由發(fā)送設(shè)備（上位機(jī)）發(fā)送至接收設(shè)備（下位機(jī)）時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的下位機(jī)就會(huì)響應(yīng)命令，并根據(jù)約定的通信協(xié)議讀取信息、數(shù)據(jù)校驗(yàn)并且執(zhí)行相應(yīng)的功能操作。返回的幀結(jié)構(gòu)包含地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)以及CRC校驗(yàn)碼。

（3）上下位機(jī)通信幀約定格式

其中的儀表地址在使用的電壓表中是為一個(gè)字節(jié)定義的，所以最多到256個(gè)。下位機(jī)與上位機(jī)的通信波特率一般可自由設(shè)定，但必須保證上下機(jī)的通信波特率對(duì)應(yīng)匹配。

3 上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)方案

上位機(jī)的通信軟件采用VB6.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在VB6.0中對(duì)串口進(jìn)行編程可以使用Mscomm控件加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。該控件主要是為RS-232的通用串口而設(shè)計(jì)。所以為了利用PC上現(xiàn)有的RS-232接口，通常是使用RS232/485的轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器一般通過(guò)邏輯門電路控制RXD、TXD和GND三針信號(hào)，從而自動(dòng)對(duì)半雙工或全雙工的485串口進(jìn)行控制。通過(guò)轉(zhuǎn)換器，我們就可以像開(kāi)發(fā)通用的RS-232串口一樣來(lái)快速開(kāi)發(fā)基于RS-485串口的上位機(jī)通信軟件。

（1）初始化程序設(shè)計(jì)

在初始化程序中，主要是設(shè)定好整個(gè)幀結(jié)構(gòu)的命令數(shù)組、傳輸波特率、以及一些必須的串口初始設(shè)定。具體的操作如下面代碼說(shuō)明

Dim Tcommand（7） As Byte ‘開(kāi)辟命令幀的幀長(zhǎng)度數(shù)組

MSComm.CommPort = 1 ‘設(shè)定需要使用的串口，當(dāng)然這里可以用輸入方式靈活設(shè)定。暫定為1#口

MSComm.Settings="2400,n,8,1" ‘設(shè)定傳輸?shù)牟ㄌ芈屎托ｒ?yàn)方式

MSComm.InBufferSize = 1024 ‘開(kāi)辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

MSComm.InputMode =comInputModeBinary ‘設(shè)定為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流方式

MSComm.InputLen = 0 ‘一次全部讀入所需要的數(shù)據(jù)

……

上面的代碼一般都是串口初始化必須進(jìn)行設(shè)定的幾個(gè)部分。根據(jù)個(gè)人需要可以在VB6.0中做一個(gè)初始化界面，對(duì)各個(gè)參數(shù)（如波特率、使用串口等）進(jìn)行自由設(shè)定和更改，以提高初始化設(shè)定的靈活性和通用性。

（2）命令字發(fā)送

命令字發(fā)送應(yīng)該嚴(yán)格按照Modbus規(guī)約所設(shè)計(jì)的幀格式和上下位機(jī)在該規(guī)約基礎(chǔ)上所定義的通信協(xié)議。參考表1的通信協(xié)議順序，編寫如下的VB代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送。

Tcommand （0） = address ‘ address為設(shè)定的接受地址輸入的變量

Tcommand （1） = Val（"&h" + "03"）

……（其他的通信協(xié)議，并計(jì)算CRC校驗(yàn)代碼）

Tcommand （6） = CRC（1）

Tcommand （7） = CRC（0）

frmcontrol.MSComm.Output = Tcommand

……

（3）上位機(jī)接收和數(shù)據(jù)處理

根據(jù)表2的回送通信協(xié)議，上位機(jī)解析所接受的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的處理。一般而言從下位機(jī)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)都是有一定的幀長(zhǎng)度。特別是對(duì)于一些固化好的智能儀表。所以最好的方法是按照通信回送的幀長(zhǎng)度，在上位機(jī)程序中分別開(kāi)辟兩個(gè)同樣長(zhǎng)度的數(shù)組。一個(gè)作為接受數(shù)組，用來(lái)一次性接收串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù);另一個(gè)為安全數(shù)組，用來(lái)復(fù)制接收數(shù)組中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。這樣可以提高整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

LoopUntil frmcontrol.MSComm.InBufferCount = 9

InByte = frmcontrol.MSComm.Input

For i = 0 To （count - 1）

InSafeArray（i） = InByte（i）

Next i

其代碼中的inbyte（）就是接收數(shù)組，而InSafeArray（）就是我們?cè)匍_(kāi)辟的安全數(shù)組。

（4）CRC校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法

按照Modbus規(guī)約的校驗(yàn)方式，RTU模式的校驗(yàn)方式為CRC校驗(yàn)方式;而ASCII模式為L(zhǎng)RC校驗(yàn)。一般的智能儀表多采用RTU的CRC校驗(yàn)方式。根據(jù)生成多項(xiàng)式的不同，CRC校驗(yàn)通常有以下幾種：CRC-12 （傳6bit）;CRC-16（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，傳8bit）;CRC-CCITT（歐洲標(biāo)準(zhǔn)，傳8bit）;CRC-32（point-to-point同步傳輸中使用） 。目前儀表類比較普遍的是CRC-16的校驗(yàn)碼。其生成多項(xiàng)式為X16+X15+X2+1。在算法實(shí)現(xiàn)上，我們可以先預(yù)置一個(gè)16位的寄存器FFFF（全1），然后把8位的2進(jìn)制數(shù)據(jù)（一個(gè)字節(jié)）與16位的CRC寄存器低8位異或，并把結(jié)果放回CRC寄存器同時(shí)寄存器內(nèi)容右移，MSB補(bǔ)0，并檢查移出的LSB。如果LSB為0則繼續(xù)右移動(dòng)，為1則CRC寄存器與多項(xiàng)式異或。重復(fù)上面操作到一個(gè)8bit字節(jié)完成，再繼續(xù)對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相同處理，直到所有數(shù)據(jù)結(jié)束。這個(gè)時(shí)候CRC寄存器中的數(shù)據(jù)就是我們所要的CRC碼了。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

CRC16Lo = &HFF ‘CRC16Lo為CRC寄存器低8位

CRC16Hi = &HFF ‘CRC16Hi為CRC寄存器高8位

CL = &H1

CH = &HA0 ‘A001 H 是CRC-16多項(xiàng)式代碼

For i = 0 To UBound（Data）

CRC16Lo = CRC16Lo Xor Data（i） ‘每一個(gè)數(shù)據(jù)與CRC寄存器異或

For index = 0 To 7

UseHi = CRC16Hi

UseLo = CRC16Lo

CRC16Hi = CRC16Hi \ 2

CRC16Lo = CRC16Lo \ 2 ‘右移一位

If （（UseHi And &H1） = &H1） Then ‘如果高位字節(jié)最后一位是1的話

CRC16Lo = CRC16Lo Or &H80 ‘低位字節(jié)右移后前面補(bǔ)1

End If

If （（UseLo And &H1） = &H1） Then ‘‘如果LSB 為1，則與多項(xiàng)式進(jìn)行異或

CRC16Hi = CRC16Hi Xor CH

CRC16Lo = CRC16Lo Xor CL

End If

Next index

Next i

4 下位機(jī)工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

下位機(jī)一般是使用固化好通信協(xié)議及工作指令的單片機(jī)。因?yàn)闇y(cè)控系統(tǒng)多采用的是單發(fā)多收的通信機(jī)制，所以在下位機(jī)要允許用戶預(yù)先設(shè)定本機(jī)的地址碼，并且保證不能重復(fù)。此外，要注意通信波特率必須與上位機(jī)的波特率相匹配。在下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)中，要遵循Modbus規(guī)約的通信幀結(jié)構(gòu)對(duì)上位機(jī)傳輸?shù)拿钸M(jìn)行解析：非呼叫對(duì)象應(yīng)能及時(shí)重新恢復(fù)等待接受狀態(tài);響應(yīng)呼叫的下位機(jī)要解析命令代碼并進(jìn)行相應(yīng)的功能處理，對(duì)非法的命令操作要能回送報(bào)錯(cuò)信息。

在具體的工程開(kāi)發(fā)中，下位機(jī)多是采用各個(gè)廠家出品的基與Modbus規(guī)約的智能儀表。這樣雖然簡(jiǎn)化了我們開(kāi)發(fā)的工作量，但是下位機(jī)的合理安排與設(shè)計(jì)能降低系統(tǒng)誤碼率、提高可靠性。因此是每個(gè)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所不應(yīng)該忽略的重要部分。在工業(yè)控制中，因?yàn)楦鞣N干擾源的存在且一般下位機(jī)數(shù)量較大，要對(duì)RS-485芯片選型有很認(rèn)真的考慮。條件許可的話盡量選用抗電擊和有較大級(jí)連驅(qū)動(dòng)能力的芯片。理論上485芯片的級(jí)連能力至少32門，目前很多芯片廠家都能使工業(yè)級(jí)的級(jí)連數(shù)達(dá)到128以上。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該讓系統(tǒng)具有一定的富余度，一般級(jí)連數(shù)不能超過(guò)該器件滿載的70%。在選配RS232到RS485轉(zhuǎn)換頭的時(shí)候也應(yīng)該盡量選用有源的轉(zhuǎn)換器，以提高驅(qū)動(dòng)能力和穩(wěn)定性。此外，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的降噪、隔離、布線、屏蔽等等措施的合理與否也會(huì)對(duì)最后系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

作者在實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，通過(guò)VB6.0結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫(kù)編程，開(kāi)發(fā)了基于該通信協(xié)議的上位機(jī)的測(cè)控管理軟件，并利用RS-485總線實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于該規(guī)約的各種下位機(jī)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。在生產(chǎn)活動(dòng)自動(dòng)化，通信協(xié)議規(guī)范化，信息交流國(guó)際化的今天，充分利用現(xiàn)有的成熟而規(guī)范的通信協(xié)議能最大限度地節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。Modbus RTU規(guī)約作為智能儀器儀表領(lǐng)域大量使用的國(guó)際化通信協(xié)議，必將得到更加普遍的推廣和應(yīng)用。

6 參考文獻(xiàn)

【1】 Visual Basic 6.0程序員指南;（美）Microsoft公司著;北京希望電子出版社;1999.2;P9-22，P304-394

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