基于MODBUS RTU的組態王與智能儀表通訊

汪韓韓，楊 輝，張 華，朱淑云

（1. 南昌大學 機器人研究所，南昌 330031；2. 華東交通大學 科研處，南昌 330013；3. 南昌大學 教務處，南昌330031；4. 南昌大學 科學技術學院，南昌 330031）

0 引言

MODBUS RTU協議是莫迪康公司發明的一種廣泛應用于自動化控制領域的工業通訊標準。協議規定，控制器之間通訊采用主從技術，即主機可對各從機尋址，發出廣播信息，從機返回信息作為對查詢的響應[1]。該協議支持RS-232、RS-422、RS-485和Ethernet等多種接口類型的通訊設備。而本文研究的是基于RS-485接口，采用MODBUS RTU通信協議，組態王作為主端，智能儀表為從端，進行相互握手、互相數據交換，并且利用KingView6.5開發平臺對通訊過程進行實時監測和管理，從而完成整個通信系統的設計和實現。

1 MODBUS RTU數據傳輸

控制器以RTU模式在MODBUS總線上通訊時，具體信息格式定義如表1所示。

MAC_ID：設備地址，組態王對智能儀表從端的訪問地址，定義為01，如若是多機通訊，可以依次疊加02，03…；

Function ID：功能代碼，組態王對智能儀表從端的命令操作；

Ptr Addr：待查詢數據起始地址，2字節，首字節為高地址；

Ptr Numb：待查詢數據數量，2字節，從起始地址開始，地址依次加一；

CRC：循環冗余校驗碼，2字節，從MAC_ID至Ptr numb計算CRC值，如計算值與實際值相同則傳送正確；若不相同證明錯誤，丟棄該幀，重新檢測；

T1-T2-T3-T4：靜止時間，當發送或接收數據時需延時>3.5個字符；

除主機查詢模式下的數據格式外，還有主機寫數據、從機應答等數據格式，具體見MODBUS協議標準，這里不再重復敘述。

2 組態王通訊設置

基本通訊參數配置為：波特率9600bps，數據位8位，無奇偶校驗，停止位1位，通訊方式RS485總線傳輸模式，通訊超時時間1000ms。

從站設備COM配置可按配置向導依次進行。選擇驅動——莫迪康MODBUS RTU(COM)，定義邏輯名稱——智能儀表01，選擇串行口——COM1，選擇設備地址——1.0（1為設備地址，不打包），嘗試恢復時間與最長恢復時間——30s和24h。如需配置多臺智能儀表，方法類似[2]。

配置完設備端口之后，則需要在數據詞典定義變量，如表2所示。

表1 數據傳輸格式

表2 數據詞典用戶變量

3 智能儀表通訊設置

智能儀表作為從機端，硬件配置為485總線接口，軟件一般使用固化好的通信協議或自主開發編程設計，這里給出示例。以Stc89c52為例，利用串行中斷進行MODBUS RTU通訊設計，其中T2計數器用于產生9600bps波特率，22M晶振下，初始值設置為TL2=0xCC，TH2=0xCD，中斷服務子程序如圖1所示。

圖1 發送接收串行中斷服務子程序

單片機應答程序是主程序Main()函數中的，詳細流程圖如圖2所示。為滿足通訊需求，我們需要分析串口接收的命令，對不同的功能指令做出相應的答復。首先，對接收命令中數據依次進行校驗，包括地址碼校驗、功能碼校驗、CRC校驗、地址范圍校驗等，若出錯則給出相應的出錯指令。其次，根據功能碼把與單片機相對應的地址、數據等一一寫入待發送數組中，具體發送格式依功能碼的不同而不同，詳細參考《MODBUS中文協議手冊》。最后，啟動發送函數BeginSend()，將發送數據發送至發送接收緩存區[3]。

應答流程圖中只給出了1、3、5、16四種功能碼指令，即足以滿足實現本文對組態王中離散變量和模擬變量讀寫操作要求，如需添加強制多個線圈、預置單個寄存器等功能指令，可進行額外拓展，見圖中省略部分。

4 組態王與智能儀表的通訊實現

為滿足實時調試和監控相關的參數與狀態，開發相應的組態王通訊調試界面，如圖3所示。其中1號參變量設定為：DI1～DI8分別用兩組黃、綠、紅、藍的按鍵顯示輸入狀態10101100，當為1時按鍵按下，當為0時按鍵彈起；DO1～DO8分別用兩組黃、綠、紅、藍的LED燈表示輸出狀態01010011，當為1時燈亮，當為0時燈滅；AI1～AI8分別顯示輸入寄存器值11,22,33,444,555,666,7777,8888；AO1～AO8則分別表示預置寄存器值8888,7777, 666, 555,444,33,22,11。另外，2號參變量設置：DI1～DI8分別讀入00111000；DO1～DO8分別寫出11000111；AI1～AI8分別讀入6,216,56,7676,356,46,1986,66；AO1～AO8分別寫出66,1986,46,356,7676,56,216,6。

從通信結果來看，效果良好，能夠實時穩定地讀和寫數據。針對測試過程中遇到的問題，給出了解決方案，主要有以下兩點：1）寄存器數值超出上限0～65535。解決方案——設置智能儀表中變量初始值和原始值，并將實際數據縮小至一定倍數，然后在組態王中將相應的參變量擴大適當的倍數即可。2）多機通訊測試時，部分監控參數錯亂變化且無規律。由于在組態王中設置的各從機通訊參數中“采集頻率”都是相同的，導致采集數據時出現了數據沖突，因此，設置不同的“采集頻率”能夠很好地解決以上問題。

5 結束語

在本文設計的組態王與智能儀表通信系統中，采用標準的MODBUS RTU數據傳輸格式，詳細描述了通信參數配置，并給出了《組態王與單片機通信工程》平臺的調試方案與測試結果。實驗結果表明該方法簡單有效、穩定可靠。

圖2 單片機應答流程圖

圖3 組態王與2臺單片機通信工程測試平臺

[1] MODBUS Application Protocol Specification V1.1b [k].MODBUS-IDA,2006.

[2] 北京亞控科技發展有限公司.組態王6.5使用手冊[Z].2010.

[3] 尤慧芳.MODBUS RTU單片機通信程序編寫方法[J].工業控制計算機,2009,22(12):86-87.

[4] 胡雄峰,鄭應霞.基于MODBUS-RTU通訊協議的組態王與TOP9500通訊[J].工業控制計算機,2010,23(3):9-10.

[5] 劉杰,王慧.組態王與單片機多機串口通信的設計[J].電子設計工程,2009,17(7):7-11.

[6] 呂國芳,唐海龍,李進.基于Modbus RTU的串口調試軟件的實現[J].計算機技術與發展,2009,19(9):236-241.