Modbus協議在水質監測儀器中的應用

哈 謙，王 寧，李慧青，李 燕，楊鵬程，杜軍蘭

（國家海洋技術中心，天津 300112）

Modbus協議在水質監測儀器中的應用

哈 謙，王 寧，李慧青，李 燕，楊鵬程，杜軍蘭

（國家海洋技術中心，天津 300112）

介紹一種水質監測儀器中，單片機與觸摸屏之間應用Modbus協議進行串行通信的方法，簡要介紹了Modbus協議，并給出了程序工作流程圖。實際應用表明，該方案能夠實現觸摸屏與單片機之間穩定、可靠的連接。

Modbus；觸摸屏；Dynamic C；多任務處理

監測儀器大多采用PC機作為控制終端，通過PC機上運行的界面程序實現對儀器的控制功能。觸摸屏操作簡便，能夠直觀、生動地顯示運行參數和運行狀態，同樣可以作為控制終端使用。本文的水質監測儀器在原有PC機控制的基礎上進行擴展，引入Modbus通信協議，建立觸摸屏與單片機之間主從查詢應答的通信機制，實現觸摸屏對監測儀器的獨立控制。

1 系統總體結構

水質監測儀器系統總體結構如圖1所示，其中Rabbit 3000單片機作為核心處理單元，外圍連接觸摸屏、PC機以及若干測量設備。觸摸屏和PC機通過兩個RS232串行通信端口各自與單片機相連，二者獨立完成發送指令、顯示工作進程和測量數據的功能；RS485總線掛接若干測量設備。Rabbit 3000是一款高性能的8位微處理器，支持協作式多任務處理方式對外圍連接設備的操作任務進行處理。觸摸屏選用上海步科電氣公司的MT4000系列，其采用32位RISC CPU和精簡的LINUX內核，具有出眾的處理速度和豐富的軟件功能。

引入Modbus協議，擴展監測儀器的控制終端，實現觸摸屏對監測儀器的控制，存在的問題主要有兩點：

（1）建立通信連接。觸摸屏內嵌Modbus協議模塊，其發送、接收指令都按該協議進行處理，而單片機沒有該協議模塊，需要按照Modbus協議的要求編寫單片機通信程序，才能使其與觸摸屏建立通信連接。

（2）數據、狀態信息的交換。觸摸屏與測量設備沒有直接相連，單片機是二者之間的橋梁：觸摸屏的工作指令發送至單片機，由單片機保存并轉發至測量設備；測量設備分析現場環境的水樣，并將測量結果及工作狀態信息返回至單片機保存，在觸摸屏查詢測量結果及工作狀態時，單片機根據對應的保存信息向觸摸屏做出應答。這要求單片機分配一定的存儲區，在收、發Modbus協議指令的同時，對存儲區內的數據、狀態信息進行相應的讀、寫操作。

圖1 系統總體結構

2 Modbus協議簡介

Modbus是工業領域內全球最流行的協議之一，應用該協議的系統中有一個主機，可以有一個或多個從機，主機發起查詢，從機進行應答。Modbus協議支持ASCII模式和RTU模式的數據傳輸。本文采用RTU模式，其信息幀結構如表1所示，從機地址是主機區分從機的標識，尋址范圍是1～247，地址0留作廣播地址。功能碼告知從機執行何種操作，從機回傳同樣的功能碼向主機確認已執行了該操作，或修改功能碼以告知主機出現錯誤。數據區包含從機執行操作所需的相關信息，與功能碼密切相關。例如，功能碼03告知從機讀一組保持寄存器，數據區規定了寄存器的起始地址以及讀取寄存器的數量。主機與從機通過信息幀中的校驗碼判斷信息在傳送過程中是否出現差錯[1-3]。

在本文的水質監測儀器中，觸摸屏與單片機之間應用Modbus協議通信，在Modbus協議規定的主從通信機制下，觸摸屏作主機，單片機作從機，從機地址默認設置為01H；結合觸摸屏發送工作指令、顯示工作狀態和測量結果的需要，擴展部分Modbus功能碼的功能，如表2所示，功能碼01H查詢從機工作指令狀態切換開關的狀態，實時監控從機的工作情況；功能碼03H、04H讀取從機保存的測量時間、結果等數據；功能碼05H強置工作指令狀態切換開關的狀態，將功能元件對應的工作指令發送至從機。

表1 Modbus RTU信息幀格式

表2 擴展的Modbus功能碼

3 通信連接

單片機能夠解析Modbus查詢指令并應答，是單片機與觸摸屏建立通信連接的先決條件。按照Modbus協議的要求，觸摸屏與單片機之間的一切讀寫操作，都按照查詢應答的機制進行。觸摸屏根據組態軟件編輯的元件不斷發送查詢指令，單片機不斷應答[4]。Modbus協議對數據幀格式有嚴格的定義，單片機接收查詢指令和發送應答指令都需要符合此要求。接收數據幀時，判斷從機地址碼，接收主機發給自己的指令，若計算校驗無誤，進而執行存儲區的相關操作；而后將保存的數據、狀態信息按Modbus協議數據幀的格式封裝，發送給觸摸屏進行應答。

4 數據、狀態信息交換

觸摸屏在本儀器中的主要作用是，發送各項工作指令，監控儀器運行狀態，并顯示測量結果和時間等信息，涉及到的元件包括：位狀態切換開關元件用于發送工作指令，對應元件類型0X；數值顯示元件顯示測量結果及相關信息，對應元件類型3X或4X。相關元件的數據、狀態信息交換過程如圖2所示。點擊位狀態切換開關，開關狀態由OFF切換到ON，觸摸屏發送強置開關狀態指令，單片機解析，并在存儲區內將對應的工作標志位置位，當單片機向測量設備發指令時，在標志位存儲區域內檢測到該標志位，則將相應的工作指令發送至測量設備。每個位狀態切換開關的狀態都可以由一個bit位標識，因此單片機內一個字節的存儲區可以與8個位狀態切換開關相對應。單片機讀取測量設備在工作過程中產生的數據和狀態信息，并保存在存儲區，接收到觸摸屏查詢數據或狀態的指令時，以存儲區內的對應信息應答。這里涉及到了觸摸屏頁面顯示的元件與單片機存儲區之間的地址映射：

圖2 數據、狀態信息交換

（1）開關元件與狀態標志位存儲區之間的地址映射

（2）數值顯示元件與數據存儲區之間的地址映射

建立起明確的地址映射關系，才能在收發指令過程中，準確地對存儲區進行讀、寫操作。

圖3 主程序工作流程

圖4 處理觸摸屏查詢指令的程序流程

5 單片機通信程序開發

本文的單片機程序應用Dynamic C集成開發環境編寫。Dynamic C通過costate程序段支持分時多任務處理[5-6]，每個單片機外圍設備的操作任務與一個程序段相對應，多個程序段組成單片機所有外圍設備的操作任務。主程序工作流程如圖3所示。單片機上電初始化，然后進入while循環，分時處理各個外圍設備的操作任務。

初始化部分分配狀態標志位、測量數據等信息的存儲空間，初始狀態標志位全部為0，對應位狀態切換開關的OFF狀態，測量數據區內的數據為空，同時將串口初始化，主要操作包括：打開串口，刷新發送、接收緩沖區，并對串口通信參數和相關寄存器進行設置。觸摸屏與單片機的串口通信參數必須一致，本系統中通信參數設置如下：

波特率：9600

數據位：8

奇偶校驗：無

停止位：1

單片機對觸摸屏查詢指令的處理作為操作任務組成一個程序段，檢測來自觸摸屏的指令，按照Modbus協議解析指令，執行相關存儲區操作，并發送應答信息。處理觸摸屏查詢指令的程序流程如圖4所示。

以位狀態切換開關置位操作為例說明單片機對觸摸屏查詢指令的應答處理過程，從機地址01H，功能碼05H，位狀態切換開關元件0X15，Modbus協議中規定該類型元件起始地址為0，FF00H與開關元件的ON狀態對應，0000H與OFF狀態對應，因此十六進制置位地址為000EH，置位命令為FF00H，觸摸屏發送查詢指令（如表3）。

表3 查詢指令碼

表4 應答指令碼

單片機收到查詢指令，按照圖4所示流程，判斷從機地址并計算校驗值，符合條件再根據功能碼進一步解析指令，由置位地址000EH尋址到單片機存儲區對應的標志位，由置位命令FF00H對該標志位執行置位操作，根據Modbus對應答指令的要求，發送應答指令（如表4）。

單片機分時處理各外圍設備的操作任務，在單片機進入處理測量設備操作任務的程序段時，檢測到存儲區內該標志位被置位，發送對應的工作指令到測量設備。這里需要注意的是，一個字節的存儲區內保存了8個開關元件的狀態，因此在對標志位進行置位、復位操作時，不能影響到該存儲區域內相鄰存儲位的狀態。

監測儀器的多臺測量設備是獨立的，相互之間的工作情況不受影響；一臺測量設備的多個操作不能同時進行，在一臺設備執行某一操作時，用戶發送該設備的其他操作指令是無效的，該設備無法進行響應。為避免用戶誤操作，設置同一測量設備的多個位狀態切換開關條件使能，在執行某一操作時，屏蔽其他操作；該操作完成時，清除對其他操作的屏蔽[7]。

6 結語

本文提出了一種Modbus協議在水質監測儀器中的應用方案。該系統已成功應用于近海水質監測中，實際應用情況良好。觸摸屏操作簡便、顯示直觀，Modbus協議在單片機中得到了實現，單片機與觸摸屏之間的通信連接穩定、可靠，具有典型的應用價值。

[1]Modicon Inc.Modicon Modbus Protocol Reference Guide[Z]，1996.

[2]李明偉,郭廣峰,黃鴿.PIC單片機與觸摸屏串行通信的MODBUS協議實現[J].電子技術應用，2005(9)：40-42.

[3]路平,薛樹琦.Modbus協議下單片機與eView觸摸屏的通信方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(1)：46-48.

[4]尤慧芳.用MODBUS實現觸摸屏與單片機的通信[J].工業控制計算機，2008,21(12)：63-66.

[5]Rabbit Semiconductor.Rabbit 3000 Microprocessor Designer’s Handbook[Z]，2006.

[6]Rabbit Semiconductor.Dynamic CUser’s Manual[Z]，2007.

[7]KincoAutomation(Shanghai)Ltd.EV5000 使用手冊[Z]，2009.

Application of Modbus Protocol in the Water Quality Monitoring Equipment

HA Qian,WANG Ning,LI Hui-qing,LI Yan,YANG Peng-cheng,DU Jun-lan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

A serial communication method is introduced.With this method,the microcontroller communicates with the touch screen by means of Modbus protocol in the water quality monitoring equipment.At the same time,Modbus protocol is briefly introduced and the flow chart of the program is given.The application shows that this method could achieve stable and reliable connections between the microcontroller and the touch screen.

Modbus;touch screen;Dynamic C;multitasking process

TP311；P71

B

1003-2029（2011）04-0042-04

2011-01-18

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2007AA092101，2010AA09Z101）；海洋公益性行業科研專項經費資助項目（200805014）