基于MODBUS協議的PLC與RFID電子標簽通信方式的研究

摘要：通過對RFID電子標簽無線通信場強值的檢測，可使RFID標簽作為一種定位傳感技術應用于工業控制中，從而拓展其應用方式。本文主要介紹RFID作為定位傳感器使用時，MODBUS協議在RFID電子標簽主控芯片MSP430中的移植，從而實現PLC與RFID電子標簽基于MODBUS協議的通信。實踐證明，將此通信協議應用于列車自動裝卸控制系統，大大的提高了系統通信的可靠性，使列車自動裝卸定位準確無誤。

關鍵詞：RFID電子標簽；場強值；MSP430；MODBUS協議

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A

1引言目前，鐵路罐車主要通過機械式碰撞的方式來實現自動裝卸，具有噪聲大、易磨損、維護工作量大等缺點。文獻[1]提出了一種通過跟蹤RFID接收最大場強值進行定位的方式，其定位精度可滿足罐車自動裝卸的需要，從而開拓了RFID的應用方式，即將RFID用作位置傳感器。該方式將無線通信、有線通信、位置識別于一體，極大地簡化了列車自動裝卸系統的結構。該方法由地面閱讀器作位置信標，當移動的標簽最接近閱讀器時，標簽接收場強最大，通過跟蹤此最大場強，可知標簽當前的位置。由于每個地面定點閱讀器的信標信息不一樣，因此，標簽可隨時獲取到達位置的信息，并將此信息通過RS485發送給PLC控制器，完成指定的裝卸動作。該控制方式提高了灌裝流動貨物裝卸的自動化程度，使鐵路貨場裝卸技術裝備水平得到提高。在文獻中[1]]中，PLC與RFID電子標簽通信采用基于RS485接口的自定義通信協議，該協議采用多對一的方式，雖然通過合理安排，完成該系統的通信任務沒有問題，但理論上存在數據傳輸不可靠的缺點，尤其是在將來進行應用拓展，定點位置比較密集，定位點比較多的情況下，其隱患會更加突出。

基于此控制系統中的不足，本文對基于MODBUS協議的PLC與RFID電子標簽通信方式進行了研究。MODBUS協議是目前工業中普遍使用的通信標準，該協議的可靠性進過了實踐驗證，其輪詢工作方式不僅可以避免通信過程中數據丟失情況的發生，同時也便于該技術在定位點距離更密集，定位點更多情況下的應用，使該系統的控制更可靠，通用性更強。

計算技術與自動化2013年6月

第32卷第2期嚴政新等：基于MODBUS協議的PLC與RFID電子標簽通信方式的研究

2通信方式總體方案設計

PLC與RFID電子標簽通信方式原理：在RFID電子標簽中移植MODBUS協議，PLC通過MODBUS協議讀取RFID電子標簽的狀態，并通過RS485接口與PLC進行數據傳輸。

3.1MODBUS總線協議

MODBUS總線協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。MODBUS協議[9]完全公開、實現簡單、硬件要求低、可靠性好等特點，可使不同廠商生產的控制設備連成工業網絡，進行集中監控，所以在工業控制領域中得到了廣泛應用[2]。

MODBUS協議通信使用主從技術，即僅一設備（主設備）能初始化，查詢其它設備（從設備），從設備根據主設備發送的數據請求作出相應應答。MODBUS協議建立了主設備查詢的格式：設備地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤檢測域。從設備的回應消息也由MODBUS協議數據包構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一個錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立一個錯誤消息并把它作為回應發送出去[3]。

3.2MODBUS協議在MSP430單片機中的移植

MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器。具有16位RISC結構，有著豐富的片內資源[4][5]。符合MODBUS協議移植要求。所謂移植就是根據MODBUS協議標準在MSP430上編程實現。圖2為MODBUS協議移植程序流程圖。MSP430單片機上電，完成時鐘、串口、定時器、I/O口初始化，開串口中斷，然后等待接收MODBUS協議信息幀，接收完并作CRC校驗碼匹配，CRC校驗匹配正確則解析該數據包，提取相應的數據，否則返回一帶異常碼的數據，對這些響應的數據做CRC計算，合成為響應的MODBUS協議信息幀，然后發送給主機，進入下一個MODBUS協議信息幀的等待接收狀態。

4PLC與RFID電子標簽通信機制

MODBUS協議采用輪詢工作機制[10]，在MSP430單片機上移植了MODBUS協議后，主站PLC對RFID電子標簽進行狀態查詢，完成兩者基于MODBUS協議的輪詢工作。圖3為具體的工作機制原理圖，該輪詢機制可詳述為：將3個RFID電子標簽分別設置為電子標簽1，電子標簽2，電子標簽3。輪詢工作開始后，PLC發送MODBUS協議信息幀到電子標簽1，電子標簽1根據接收到的數據請求，提取數據之后，組成一帶校驗碼的MODBUS協議信息幀返回給PLC；PLC收到信息幀后，接著發送下一MODBUS協議信息幀到電子標簽2，電子標簽2也根據接收到的數據請求，提取數據之后，打包成一帶校驗碼的MODBUS協議信息幀返回給PLC；PLC收到信息幀后，同樣發送一MODBUS協議信息幀到電子標簽3，電子標簽3也根據接收到的數據請求，提取數據之后，也組成一帶校驗碼的MODBUS協議信息幀返回給PLC，就此就完成了一次輪詢。一次輪詢完成后，然后開始下一次輪詢[6]。PLC依據多次輪詢的結果進行數據分析，并作出相應的動作控制。該輪詢機制極大的改善了數據丟失的情況，多次輪詢使得整個控制系統的準確度也有了極大的提高。

5實驗結果

實驗中，將三個RFID電子標簽的ID號分別定義為01，02，03。3個閱讀器的編號定義為1，2，3，當各RFID電子標簽與各閱讀器之間的位置發生改變時，3個RFID電子標簽通過接收主站的信息，將感應到場強值（RSSI值）的變化和定點位置的變化；RFID電子標簽相應RSSI值寄存器會隨之發生改變，從接收到的信息可知是哪個定點位置。PLC通過MODBUS協議去輪詢RFID電子標簽的RSSI值寄存器和閱讀器編號，并進行數據分析，然后作出相應的的動作控制[1]。圖4是使用串口調試助手采集到的數據。采集的數據為完整的MODBUS協議信息幀，其中“01”為RFID電子標簽1的ID號，“03”為MODBUS協議讀寄存器功能碼，“02”為返回數據的長度，“FF 94”為RSSI值的十六進制，“FB 1B”為CRC校驗碼[8]。相應的“02 03 02 FF 8F FC 10”為RFID電子標簽2返回的MODBUS協議信息幀，“03 03 02 FF 92 01 D9”為RFID電子標簽3返回的MODBUS協議信息幀。通過采集到的數據可以看出，PLC和RFID電子標簽之間完成了輪詢的工作機制，其中第一排數據為第一次輪詢，第二排數據為第二次輪詢。為簡化實驗，定義：當RFID電子標簽與閱讀器處在同一垂直位置時，兩者之間的距離為0（即到達指定位置）；當RFID電子標簽在閱讀器左邊位置時，兩者之間的距離為負；當RFID電子標簽在閱讀器的右邊位置時，兩者之間的距離為正。表1是PLC對RFID電子標簽多次輪詢得到的數據，根據數據可以看出，當3個RFID電子標簽和3個相應的閱讀器都處于同一垂直位置時，即兩者之間距離為0，此時RSSI值最強。通過輪詢三個場強值，就可以準確定位出兩者之間相應的位置，然后依據相應的位置就可以進行準確的PLC I/O控制，從而實現各種所需動作的控制。

6結束語

本文研究的基于MODBUS協議的PLC與RFID電子標簽的通信方式，運用到列車自動裝卸系統中，不僅規范了系統的通信協議，而且解決了通信過程中數據丟失和系統通用性等問題。輪詢機制可以實現數據后臺處理，通過修改相關參數來完成系統的修正工作，相當大的提高了系統調試的方便性，是系統能更有效地實現罐車的準確定位和自動裝卸。

參考文獻

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[5]胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

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[8]馮向科，鄧瑩.基于MODBUS RTU通信協議下CRC算法實現技術[J].電腦知識與技術（學術交流），2006（3）.

[9]Modbus協議[S/OL].http：//www.modicon.com.

[10]Siemens.CP340/341/440/441[M].通訊及編程，2007.