基于Modbus協議的串行通信的應用

金海琴，陳 興，翟林鵬

（揚州大學 江蘇 揚州 225127）

該數據采集系統由上位機、GPRS模塊和三相多功能電量采集模塊3部分組成。

文中以揚州市電網為例，實現對各個現場儀表數據的遠程無線采集，及儀表的集中管理與控制，詳細介紹基于C#開發平臺實現Modbus通訊協議的方法，該程序可用于上位機經過GPRS模塊與下位機（即三相多功能電量采集模塊）的串口通訊。測試時，將下位機三相多功能電量采集模塊通過RS485接口連接GPRS模塊，則可以把采集的數據通過GPRS網絡傳給上位機，上位PC機通過虛擬串口接收發送過來的數據，并對接收到的參數進行實時數據顯示、查詢和管理。

1 Modbus協議

1.1 Modbus協議簡介

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。控制器通信使用主—從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。本文中的Modbus協議應用于點對多點的通信，物理層采用RS485串行通信標準。

1.2 RTU模式格式

Modbus通信協議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用ASCII模式，消息以“：”字符開始，以回車換行符結束。而使用RTU模式，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，因此在網絡波特率下多樣的字符時間，這是很容易實現的（如圖1的T1—T2—T3—T4所示）。傳輸的第一個域是設備地址。可以使用的傳輸字符是十六進制的0…9，A…F。網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓后才能發生一個新的消息。整個信息必須連續發送。如果在發送幀信息期間，出現大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設備刷新不完整的信息，并假設下一個地址數據。同樣一個信息后，立即發送的一個新信息（若無3.5個字符的靜止時間）這將會產生一個錯誤。是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產生的錯誤。一個典型的消息幀如圖1所示。

圖1 RTU消息幀Fig.1 RTU message frame

2 CRC校驗

2.1 CRC校驗介紹

RTU方式時，采用CRC（即循環冗余碼校驗）方法計算錯誤校驗碼，CRC校驗傳送的全部數據。它忽略信息中單個字符數據的奇偶校驗方法。

CRC碼為2個字節，16位的二進制值。由發送設備計算CRC值，并把它附到信息中去。接收設備在接收信息過程中再次計算CRC值并與CRC的實際值進行比較，若二者不一致，亦產生一個錯誤，校驗開始時，把16位寄存器的各位都置為“1”，然后把信息中的相鄰2個8位字節數據放到當前寄存器中處理，只有每個字符的8位數據用于CRC處理。起始位，停止位和校驗位不參與CRC計算。

2.2 C#實現CRC校驗代碼

3 串行通信的實現

串口通信技術應用廣泛，在數據通信、計算機網絡以及分布式控制系統中，經常采用串行通信來交換數據和信息。文中采用Visual Studio 2010提供的SerialPort控件實現串口通信。SerialPort控件和C#的其他控件一樣，都是通過對其一系列的方法、屬性、事件與用戶之間進行交互。只要對SerialPort控件的屬性、方法、事件進行設計，就可以發送和接收數據。

3.1 串口屬性設置

3.2 打開串口及初始化

3.3 發送數據

3.4 接收數據

3.5 串口通信界面

軟件界面設計滿足清晰、簡潔的要求，使得操作簡單、調理清晰，易于進行測試操作。在程序運行后，首先設置串口的參數，本系統串口參數設置為：

串口號：COM3；波特率：9 600 bps；數據位：8 位；停止位：1位；校驗位：無校驗位。

然后打開串口，設置設備地址、功能碼、起始地址、寄存器數量，進行發送。發送要查詢的數據命令，模塊就會作出相應的回應。如圖2所示，是發送查詢模塊類型寄存器，即3504（HEX）。

圖2 串口通信界面Fig.2 Serial communication interface

3.6 數據實時顯示界面

文中是以揚州儀征市電網為例，實現了現場數據的采集，以便于監控中心的實時集中監控，如圖3所示。文中采集了兩路電網的三相電壓、電流，有功功率，無功功率，功率因素5個參數。

4 結 論

圖3 數據實時顯示界面Fig.3 Real-time data display interface

文中采用C#編程語言和串口技術實現了基于RTU模式的Modbus數據通信，解決了電網現場數據的采集及遠程實時監測。系統利用三相多功能電量采集模塊實現了電網數據采集的智能化，以及GPRS模塊作為通訊介質，大大節省了通訊成本。同時為工控領域的應用提供了可行性參考。

[1]吳曉艷.計算機串行通信接口及其應用[J].現代電子技術.2010（18）：83-86.

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[2]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（9）：236-238，241.