基于ARM Cortex－M3的MODBUS協(xié)議實現(xiàn)及其應用

吳寅華，趙 敏

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016)

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術，其具有檢測速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實現(xiàn)自動化等特點，是鋼軌探傷技術的重點研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題，研制了基于嵌入式系統(tǒng)的無損探傷試驗儀，通過實現(xiàn)MODBUS協(xié)議與變頻器通信，以此驅(qū)動交流電機與機械試驗裝置，完成運動控制并進行無損探傷試驗。

針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題，依據(jù)MODBUS協(xié)議規(guī)定，利用RealView MDK開發(fā)了基于ARM Cortex－M3微控制器的嵌入式軟件，實現(xiàn)了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調(diào)速的運動控制功能。

1 MODBUS協(xié)議

1.1 MODBUS協(xié)議簡介

MODBUS是Gould Inc注冊的通訊協(xié)議商標，該協(xié)議具有糾錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點，是工業(yè)自動控制領域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業(yè)自動化領域的一種國家標準［1］。

MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能識別的消息結(jié)構(gòu)，它描述了控制器請求訪問和應答回應其他設備的過程，以及錯誤檢測和記錄的規(guī)范，制定了報文字段和內(nèi)容的公共格式。MODBUS屬于應用層報文傳輸協(xié)議，其通信結(jié)構(gòu)為一對多的主從查詢模式，即主從Master－Slave模式。MODBUS網(wǎng)絡上可以有多個從節(jié)點，但有且只能有一個主節(jié)點，主節(jié)點按照通信協(xié)議對從節(jié)點發(fā)出請求操作，從設備收到主節(jié)點的請求后，做出相應的響應再向主節(jié)點回復應答消息。

1.2 MODBUS協(xié)議組成

MODBUS協(xié)議具有兩種傳輸模式:ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數(shù)據(jù)以ASCII字符碼表示，通過冒號、回車字符判定數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束，采用LRC數(shù)據(jù)檢驗;RTU模式中數(shù)據(jù)以非壓縮BCD碼表示，通過時間標記實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀起始判定，采用CRC數(shù)據(jù)校驗，具有數(shù)據(jù)吞吐量高、傳輸穩(wěn)定、通信效率高的優(yōu)點。

由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高、時間管理嚴格的RTU傳輸模式。在協(xié)議幀組成上，MODBUS定義了一個基本的，與通信層無關數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU(Protocol Data Unit)，并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數(shù)據(jù)幀，MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成如表1所示。

表1 MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成

在數(shù)據(jù)幀起始判定上，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標記方法，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發(fā)送3.5個字符的時間，該時間稱為 T3.5［2］。

圖1 MODBUS RTU協(xié)議幀時間間隔

在MODBUS數(shù)據(jù)幀中，功能碼是指主節(jié)點對從節(jié)點的請求操作類型，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。

表2 常用的MODBUS功能碼

MODBUS RTU采用循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼，編碼簡單且誤判概率很低，在串行通信、以太網(wǎng)、MPEG解碼等通信領域中得到了廣泛應用。在通信過程中，發(fā)送方用待發(fā)送數(shù)據(jù)除以一個收發(fā)雙方約定的生成多項式，將得到余數(shù)作為CRC校驗多項式，附加在待發(fā)送數(shù)據(jù)尾部作為一個整體發(fā)送給接收方。接收方將收到的數(shù)據(jù)同樣除以生成多項式，若余數(shù)為零則傳輸正常，若余數(shù)不為零則傳輸出錯。

2 電路連接及硬件參數(shù)

在無損探傷試驗儀中，選用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心，而變頻器采用了煙臺惠豐公司的F2000－G矢量變頻器。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000－G相連，按照MODBUS協(xié)議與之通信，實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制功能。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx連接到MAX3485的RO、DI以進行RS232的數(shù)據(jù)收發(fā);STM32F103ZET6的 GPIO1以 I/O模式與MAX3485的接收使能端RE、發(fā)送使能端DE相連，對RS485半雙工總線的通信方向進行統(tǒng)一控制;而MAX3485的差分信號端A、B則通過插座與F2000－G相連，同時為保證通信質(zhì)量，消除總線上的信號反射，需在RS485網(wǎng)絡終端的差分總線間串聯(lián)50 Ω的電阻R1。

圖2 RS485接口電路

在外設初始過程中，首先需要初始化USART3，按照F2000－G要求，采用的通信參數(shù)為:波特率9600 kb·s－1，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無奇偶校驗;其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPIO1為輸出模式，以此控制RS485的通信方向;再次，由于MODBUS RTU采用時間標記的方式進行協(xié)議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個字符發(fā)送時間，因此設置TIM2的溢出時間為3 ms;最后，為處理可能的總線延遲等通信故障，本文使用了系統(tǒng)定時器SysTick作超時判定，綜合考慮到變頻器動作時間、通信延遲等因素，超時判定的時間閾值取200 ms。

3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，STM32F103ZET6作為主節(jié)點負責變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000－G作為MODBUS從節(jié)點負責響應主節(jié)點的請求，完成對交流電機的運動控制。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點程序?qū)崿F(xiàn)，MODBUS協(xié)議主要分為3部分:數(shù)據(jù)幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。

3.1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協(xié)議幀才能成功進行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機的地址，再將CRC16校驗值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應用數(shù)據(jù)單元ADU。

MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗，按照循環(huán)冗余檢驗算法，使用標準16位生成多項式，可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼。其程序流程可描述如下［3］:

(1)初始化一個16位寄存器，所有位進行置1。

(2)該16位寄存器與待校驗數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進行異或，結(jié)果存回該寄存器。

(3)該16位寄存器右移一位。

(4)若該寄存器右移移出位為1，則與校驗多項式0A001H異或，否則重復步驟3。

(5)重復步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢。

(6)取數(shù)據(jù)串中下一個數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進行異或結(jié)果存回寄存器。

(7)重復步驟3～步驟6，直到待校驗數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢。

(8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗結(jié)果，加至數(shù)據(jù)幀末端。

因為 STM32F103ZET6芯片內(nèi) USART3無硬件FIFO的特點，所以需要軟件上使用隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進行串行口的收發(fā)任務。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊列的出隊操作;而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應函數(shù)中，軟件按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi)，即隊列的入隊操作。

3.2 數(shù)據(jù)幀接收

在發(fā)送完請求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收/發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽過程中SMT32F103ZET6完成變頻器F2000－G應答幀的接收。

由于MODBUS RTU應答幀判定采取了時間標記法，因此本程序中使用了TIM2作為觸發(fā)器進行時間管理。在接收過程中，USART3每次接收中斷對TIM2進行復位操作以避免TIM2的溢出中斷;而當總線空閑了3.5個字符的發(fā)送時間后，TIM2由于缺少USART3的復位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應中完成關閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應答幀接收完成標志位的操作。這種時間標記的程序均在后臺中斷中完成，主程序只需查詢接收完成標志位即可。

另一方面，由于從節(jié)點F2000－G可能存在著超時、無應答等通信故障，這就需要主節(jié)點STM32F103ZET6進行超時檢測。在 STM32F103ZE6中，SysTick作為系統(tǒng)定時器，在芯片啟動后就以后臺方式運行，按ms計時并實時更新系統(tǒng)時間［4］。因此在MODBUS RTU的超時判斷中，主程序可以利用該時鐘，循環(huán)地查詢當前時刻，并和發(fā)送完請求幀的起始時刻比較，若閾值時間200 ms內(nèi)仍然未收到請求幀，則認為通信失敗，返回應答超時碼。

3.3 數(shù)據(jù)幀處理

在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎上，STM32F0103ZET6必須進行應答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應答幀，首先提取ADU進行地址碼和CRC校驗碼的判定;其次，再從PDU中提取ADU進行數(shù)據(jù)長度、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定;最后，如果校驗失敗則返回相應的校驗失敗碼，若校驗成功，則繼續(xù)從ADU/PDU中提取的數(shù)據(jù)進行處理，完成變頻調(diào)速的各種功能操作。最終，整個協(xié)議實現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。

圖3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)軟件流程

4 嵌入式變頻調(diào)速系統(tǒng)

利用 MODBUS協(xié)議，STM32F103ZET6可按照F2000－G提供的各種功能實現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，例如目標頻率設置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數(shù)功能如表3所示。

表3 F2000－G寄存器地址及其功能參數(shù)

在實際應用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實現(xiàn)人機交互，根據(jù)用戶輸入實現(xiàn)對交流電機的變頻調(diào)速操作。例如，欲啟動電機進行無損探傷試驗時，程序?qū)2000－G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H，啟動電機正轉(zhuǎn)運行。通信記錄如下，主節(jié)點STM32F103ZET6啟動變頻器發(fā)送:01 06 20 00 00 01 43 CA;如果從節(jié)點F2000－G操作正常則應答:01 06 20 00 00 01 43 CA。

當STM32F103ZET6正確讀取完應答幀，并通過校驗后，即可判斷變頻器已成功啟動交流電機，機械試驗系統(tǒng)開始運行并逐步加速到目標轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過MAX3485與變頻器F2000－G組成基于RS485的網(wǎng)絡。軟件部分介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成，分析了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)原理，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的工作特點實現(xiàn)了該協(xié)議的編程。基于MODBUS協(xié)議的嵌入式軟件通過與F2000－G的通信實現(xiàn)了對機電試驗裝置的變頻調(diào)速控制。實踐表明，該系統(tǒng)性能可靠、通信穩(wěn)定，滿足了無損探傷試驗儀在轉(zhuǎn)速為40～1400 r·min－1范圍內(nèi)變頻調(diào)速的控制需求。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡規(guī)范GB/Z 19582.1－2004［S］.北京:中國標準出版社，2004.

［2］ MODBUS.Application protocol specification V1.1a.2004［S］.USA:MODBUS－IDA Org，2004.

［3］ 符意德.嵌入式系統(tǒng)設計原理及應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］ 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列 ARM Cortex－M3微控制器原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.