Modbus通信協議在ARM7環境監測系統中的應用

張姣姣，李麗宏，陳金兵

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

在環境監測中，需要做到實時監控、統一管理，為此需將各分散站點的環境監測設備互聯形成網絡，實現環境監測的網絡化、智能化、人性化。為了節約成本，提高效率，采用RS485總線做傳輸設備，Modbus協議為通信協議，ARM7系列的微處理器LPC2214為環境監測儀表的主芯片。

環境監測系統將Modbus協議成功地應用到ARM7系統中，實現了經典協議與高效系統的完美結合。研制了網絡化的環境監測系統，完成了監控中心對各分散站點的統一監測和管理。

1 監控系統整體方案

環境監測系統采用網絡化模式將各個分站的信息統一傳送到監控中心計算機上。上位機軟件接收到各分站的信息后自動分析、處理、顯示和保存，如果分站的采集值超標會產生報警信號。系統的整體結構如圖1所示。

圖1系統結構圖Fig.1 Block diagram of system

RS485總線采用EIA/TIA-485標準的2線制電氣接口，該RS485總線具有抗共模干擾能力強，多機通信和組建現場總線網絡的功能。Modbus協議是主從式網絡結構，設置監控中心服務器為主站 （總線上只能有一個主站），最多可掛接247個從站。主站可以對任一從站進行查詢和控制，從站只有收到主站的請求時，才會傳送數據。環境監測儀表采集溫度、濕度、風速、風向、大氣壓力、雨量等6個環境參數，主站會間隔讀取各個從站的信息，各從站接收到命令后，把當前的環境信息發送給主站，主站接收到從站的數據校驗正確后將信息顯示并保存起來。

2 Modbus通信協議

Modbus協議是由Modicon公司開發的，由于其功能比較完善，容易實現，現已成為通用的工業標準。不同廠家生產的工業控制設備遵循該協議標準連接成網絡，進行集中監控[1]。

2.1 串行鏈路通信協議

Modbus串行鏈路協議是主—從協議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數據吞吐量，故環境監測系統采用RTU模式。在Modbus協議的串行鏈路上，所有分站的傳輸模式相同。RTU消息幀包括地址域、功能域、數據域、CRC校驗域。RTU模式是通過判斷時間間隔來區分字符和報文幀的，時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報文幀區分開。同時，整個報文必須以連續的字符流發送，幀內2個字符之間的間隔小于1.5個字符時間[2]。表1為RTU報文幀的結構，起始和結束表示一幀數據與另一幀數據之間時間間隔。

表1RTU報文幀Tab.1 RTU message frame

2.2 功能碼

當消息從主設備發往從設備時，從設備根據功能碼來確定執行哪種操作，例如讀一個線圈的狀態，或讀一組寄存器的數據內容等[3]。當從設備響應時，功能碼用來指示是正常回應或異常回應。對正常回應，從設備僅回應相應的功能碼；對異常回應，從設備返回一個等同于正常回應的代碼，但最高位的值置為邏輯1，比如正常功能碼為“00010101”，在異常回應的情況下回應“10010101”[4]。

2.3 CRC校驗

CRC字段校驗整個報文的內容。無論單個字符報文使用何種奇偶校驗方式，均應有這種CRC校驗。CRC包含2個8位字節組成的16位值，并作為報文的最后字段附加到報文上，先附加低字節，再附加高字節。

發送設備計算CRC值，并附加到報文幀上。接收設備在接收報文過程中，重新計算CRC值，并將計算值與接收到的實際CRC值相比較。若兩個值不相等，則表示出現錯誤。

3 嵌入式處理器LPC2214

LPC2214是一款支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S內核的微控制器，并帶有256 KB嵌入的高速片內Flash存儲器。通過片內PLL可實現最大60 MHz的CPU操作頻率。8路10位A/D轉換器，2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道），6路脈沖寬度調制PWM，實時時鐘，看門狗，2個16C550工業標準UART，高速I2C接口，2個SPI接口，9個外部中斷源，2個低功耗模式：空閑模式和掉電模式[5]。此芯片外設功能強大，功耗低，抗干擾能力強，非常適用于智能儀表和工業嵌入式控制系統。

4 系統硬件設計

系統傳輸線路采用RS485總線形式，由于ARM7系列芯片工作電壓為3.3 V，故選用SP3485低功耗芯片做電平轉換，TLP521實現信號隔離。LPC2214的TXD0和RXD0通過光耦分別連接SP3485的DI和RO引腳，完成串口的發送與接收工作。RS485的A、B兩端采用差分輸入，LPC2214的2個串口都具有串口中斷方式，支持CPU與外設之間的異步串行數字通信，支持5～8位串行數據傳送與接收以及在傳送與接收時的雙向握手，每一個通道有2個內部16位FIFO，系統采用串口接收的中斷方式。在串口通信中接收每幀數據包后，會在接收狀態寄存器中相應的標志位置位，產生中斷請求，判斷是否接收Modbus數據幀，進一步對該數據幀進行解析[6]。圖2為串行通信接口電路。

圖2串行通信接口電路Fig.2 Serial communication interface circuit

5 系統軟件設計

Modbus協議簡單易用，兼容性強，應用廣泛，但是將Modbus協議應用到ARM系列單片機系統的設計較少。而該環境監測系統則實現Modbus協議在ARM7系統中的應用。

RTU模式通過判斷1.5個字符和3.5個字符的時間來確定報文幀傳輸的正確性，所以在程序處理過程中使用定時器中斷處理。當波特率低于19 200 b/s時，定時時間必須嚴格按照波特率計算出1.5個字符和3.5個字符的時間。環境監測儀的頻率為 11.059 2 MHz（大于19 200 b/s時），如果按照波特率來計算字符時間間隔會使CPU負擔加重，所以定時器使用2個固定值：1.5個字符為750 μs，3.5個字符為1.75 ms。

系統運行后，主站點依次向總線發送讀取從站信息的命令，避免了多個從站同時向總線發送信息而造成信息沖突。從站監控儀表在接收到完整的消息幀后先讀取地址碼，判斷是否為發往本機的消息，是則檢驗命令信息無誤后，響應命令，并返回相應的信息，否則清空接收緩存器，重新進入等待接收狀態。

環境監測系統主要使用的是04功能碼 （讀輸入寄存器），寄存器地址占2個字節，從00開始，連續讀取6組寄存器的值（輸入寄存器的數量也占2個字節），再加上2個字節的CRC校驗碼，一個完整的消息幀為xx 04 00 00 00 06 xx xx。

在RTU模式下最關鍵的是區分報文幀間隔和字符間隔時間。系統采用串口接收中斷和定時器中斷判斷幀間隔和字符間隔時間的大小。報文幀的傳送報文要求幀內間隔小于1.5個字符，幀間間隔大于3.5個字符。因為采用串口接收中斷，檢驗的是2個字符的停止位間的時間，可以用2.5個字符和4.5個字符的間隔來判斷報文幀傳輸的正確性，取其公約數0.5個字符作為定時器的定時時間，定義一個全局變量timer0_cn，timer0_cn在定時中斷中做加1運算，判斷timer0_cn的2個關鍵值5和9即可。串口中斷和定時器中斷程序流程圖如圖3，圖4所示，通過串口中斷、定時器中斷和變量timer0_cn相配合完成報文幀的正確接收。

圖3串口中斷程序流程圖Fig.3 Flow chart of serial interrupt program

圖4定時器中斷程序流程圖Fig.4 Flow chart of timer interrupt program

6 結 論

環境監測系統將Modbus協議成功地運用到ARM7TDMI-S系統中，實現了環境監測系統同時監測多個地域、多個分站的網絡化管理，使用簡單、方便，數據傳輸準確無誤，延時時間短，非常適合小型的環保或氣象監測站使用。

[1]潘長清，蔣大明，歐陽勁松．基于S3C44BOX處理器Modbus通信協議的實現[J]．儀器儀表標準化與計量，2007，23（2）：26-28．PAN Chang-qing， JIANG Da-ming， OUYANG Jin-song.The implementation of Modbus communication protocol based on S3C44BOX processor [J].Instrument Standardization and Meter Volume， 2007，23 （2） :26-28.

[2]GB/T 19582.2-2008基于Modbus協議的工業自動化網絡規范，第2部分:Modbus協議在串行鏈路上的實現指南[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]GB/T 19582.1-2008基于Modbus協議的工業自動化網絡規范，第1部分:Modbus應用協議[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]廖明燕，王宏偉.基于Modbus協議的加氣站多機通訊系統[J].自動化儀表，2008，29（9）:44，54，64.LIAO Ming-yan，WANG Hong-wei.Based on Modbus protocol is scheduled for multi-machine communication system[J].Automation Instrumentation， 2008，29 （9）:44，54，64.

[5]周立功，王祖麟，陳明計，等.ARM與嵌入式系統基礎教程[M].廣州：廣州周立功單片機發展有限公司，2004.

[6]陳建，蔣海峰，丁偉智.Modbus協議在隧道監測系統中的應用[J].現場總線，2009（7）:34-35，50.CHEN Jian，JIANG Hai-feng， DING Wei-zhi.The application of Modbus protocol in the tunnel monitoring system[J].Field bus， 2009（7）:34-35，50.