基于Modbus協議的RS485總線通信在唰嘜機的設計

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州 450004〕

一、技術簡介

（一）Modbus協議

Modbus協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信，這已經形成了一個通用工業標準。有了這個標準，可以方便各個廠家生產的控制設備連接在一起集中控制。Modbus協議我們采用比較先進的Modbus TCP 模式，而Modbus TCP模式的硬件接口就是以太網（Ethernet）口，我們設計的刷嘜機就是使這一電腦上常用的網絡接口，使用方便、快捷、安全。

（二）RS485總線

RS485總線也是一個通用工業標準接口，具有雙向、平衡傳輸的特點并且支持多點連接，最多可創建32個節點的網絡；傳輸距離最長1 200 m左右，抗干擾能力強。在工業控制應用中，RS485接口經常采用組成的半雙工網絡，一般采用屏蔽雙絞的兩線制傳輸。在RS485通信網絡中一般采用的是主、從通信方式，即一個主機帶多個從機。RS485總線因其接口簡單，組網方便，傳輸距離遠等特點而得到廣泛應用。

二、刷嘜機設計

（一）系統框圖

根據系統功能需要，整體采用分布式主從控制結構。主機系統以工控計算機為中心，主要完成和客戶人機對話、數據管理等非實時工作。從機系統由采用STM32芯片的刷嘜控制器、FPGA為核心的智能噴頭驅動器、AVR單片機為核心的電子定位尺、噴頭監控與恒溫管理器等多從機協調工作。系統硬件環境主要包括以下幾個模塊：上位機（工控機）、刷嘜控制模塊主站、多個從站。對于串行鏈路通訊的Modbus 系統，它的實際接口電路可以選擇采用RS232接口或RS485接口。在刷嘜系統中我們采用RS485 兩線制接口。本系統中的上位機采用工控機，其物理接口為網絡接口，完成和從機的主控制器通訊。系統的從機系統部分則采用RS485組成的網絡進行通訊。系統的整個設計框圖如下：

圖1 通信系統結構框圖

（二）RS485總線結構

棉包刷嘜系統整體采用PC工控機為主，刷嘜控制系統為從機系統。PC工控機為人機操作界面，各種操作指令可以通過工控機進行人機交互，指令通過網絡傳送到刷嘜控制從機系統。而從機刷嘜控制系統又采用一個主機多個從機的通訊組網方式。采用刷嘜控制器為主機，定位控制、刷嘜控制、運動控制等為從機。在刷嘜控制系統中，刷嘜控制器為主機，根據系統需要，對各個從機進行輪詢，各個從機根據主機的命令，返回相應的值。刷嘜控制器根據各個從機控制模塊返回值再通過RS485總線發出相應的指令，對整個系統進行控制。同時把各個返回值及當前執行狀態通過網絡傳送到PC工控機進行顯示，以便更好地對系統進行監控。實際RS485通訊的總線結構如圖2。

圖2 刷嘜機RS485總線結構

RS485總線數據通訊速度較快，最高傳輸速率可以達到10 Mbps。但是由于它常常應用于要和單片機的RS-232口通信，因而實際上并沒有那么高的通訊速度，與單片機通訊的網絡，速度最高為115.2 Kbps。實際應用中考慮到速度太高會影響傳播距離，考慮一些抗干擾因素，實際應用中速度還會更低。在本系統中，RS485的速度我們采用9 600 Kbps。

（三）電路設計

用于RS485總線通訊的專用芯片廠家很多，本設計采用美信公司生產的MAX485芯片。它是一種應用于RS485/RS422的8引腳低功耗收發器，在實際應用時最多能同時連接多達32個節點。它采用+5 V單電源工作，額定電流為300 μA，由于MAX485有方向控制，因而只能采用半雙工通訊方式，內部含有一個驅動器和接收器。RO引腳為MAX485接收器的輸出，與微控制器的接收腳（RXD）相連，DI引腳為MAX485驅動器的輸入端，與微控制器的接收腳（TXD）相連，DE和RE引腳控制數據傳送的方向。MAX485的邏輯圖及RS485總線連接圖如圖3。

RS485通訊在工業應用中，使用環境中經常會有大型的設備工作，用電環境比較復雜，大電壓、大電流的設備較多，其中的各種功率的電機、變頻器、繼電器等都會產生較大的干擾，差分信號傳輸模式使RS485接口具有一定的抗共模干擾能力，但當干擾電壓超過一定的限定時，芯片也會無法工作，使得傳輸不再可靠，并有可能會燒毀芯片和相連儀器設備。為了確保通訊可靠，增強其抗干擾能力，在棉包自動刷嘜控制系統中我們采用光耦、帶隔離的DCDC電源模塊、RS485芯片完成隔離設計。實際設計電路圖如圖4。

其中的485VCC1、485GND1為隔離DC-DC電源引腳，專為485芯片提供電源，而VCC、GND為微控制器提供電源。485RX1、485TX1為微控制器的接口信號引腳。

圖3 485芯片邏輯及總線設備連接方式

圖4 帶隔離的485通訊設計圖

（三）軟件設計

刷嘜控制系統通訊特點為：用RTU模式的Mod?bus協議。波特率采用9 600 bps，數據格式采用8位數據位，1位停止位，無校驗的方式。字符傳送間隔采用少于1.5 個字符的時間間隔。RTU數據幀的最大幀長度是256 個字節。幀與幀之間的空閑時間采用命令碼設定的值與Modbus協議內部約定值兩者之間較大的一個。Modbus協議約定的最小幀間空閑時間是數據幀頭通過數據總線的時間和數據幀尾通過數據總線空閑時間不小于3.5 個字節傳送時間來區分界定幀。通訊數據采用CRC16 校驗來確保通訊準確。

在棉包刷嘜從機系統通訊中，該從機系統又由一臺刷嘜控制器作為RS485通訊的主機和噴頭、定位、運動控制等多從機小模塊組成。從系統中的刷嘜控制器主機和幾個從機在通過MAX485和總線連接時，接線方式完全相同。從系統中的任何一個從機小模塊都可以設定為主機，而其他設為從機。RS485總線的使用權可根據設備的工作狀態臨時設定。系統狀態分為三個：空閑、棉包進入和棉包刷嘜三個，正常的工作過程就是這三個狀態處于循環中，自動完成刷嘜工作。系統中不同的設備給編定不同的設備編號，在刷嘜系統開始工作時，系統處于空閑狀態，刷嘜控制器作為主機的MAX485處于數據接收狀態，所有其他從機的MAX485也處于接收狀態。如果從機接收到有了棉包信息的信號時，從機就會從接收數據狀態變為發送狀態，發送當前棉包來的信息。發送完后又處于接收數據的偵聽狀態。在處于要刷嘜的狀態時，刷嘜主機先處于接收狀態，通過總線讀取從機的數據，刷嘜主機再向這個從機發出查詢信號，然后交出總線的使用權，處于接收狀態。而被查詢的從機開始允許使用總線，它的MAX485此時可以發送數據，該從機開始向總線加載數據，數據加載完成后立即又處于偵聽狀態，交出總線使用權。

根據功能要求，軟件流程圖如圖5。

圖5 棉包刷嘜程序軟件主流程簡圖

三、結語

本文詳盡地介紹了基于Modbus協議的RS485 總線，系統設計之初就考慮增加防干擾措施，各個模塊電源隔離。實際安裝中又采用屏蔽、接地等防干擾方式，增加了系統的穩定性。該總線設計已成功應用于棉花加工廠的棉包刷嘜機環節中，實現了在粉塵大、溫差大、干擾強的環境下正常使用，其運行穩定、安全可靠。