淺談Modbus協(xié)議在智能儀表中的實(shí)現(xiàn)路徑

王新，王鳳翔，王燕，郭學(xué)亮

（中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

工業(yè)自動(dòng)化程度越來越高，Modbus 串行通信協(xié)議以其先進(jìn)性、開放性、成熟性的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)前PLC（可編程邏輯控制器）及組態(tài)軟件都支持此協(xié)議。智能儀表作為自動(dòng)化控制的源頭，支持此協(xié)議，將大大降低自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)人員的開發(fā)難度。

1 Modbus 協(xié)議簡介

Modbus 協(xié)議是定義在OSI 網(wǎng)絡(luò)模型第7 層(應(yīng)用層)的報(bào)文發(fā)送協(xié)議，它可以在不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)上連接的設(shè)備之間進(jìn)行“客戶端/服務(wù)器”式的通信，它是主從式的串行通信協(xié)議。Modbus 協(xié)議利用RS485 或RS232 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同一條總線上只允許1 臺(tái)主機(jī)，從機(jī)數(shù)量從1 臺(tái)最多至247 臺(tái)，并且從機(jī)的地址是唯一的。Modbus 協(xié)議由主機(jī)發(fā)送命令及從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)組成，有兩種傳輸模式：Modbus-RTU模式及Modbus-ASCII 模式。

1.1 Modbus-RTU 模式

數(shù)據(jù)以數(shù)值型式傳輸，其幀格式如下：

主機(jī)發(fā)送命令（表1）。

表1

從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)（表2）。

1.2 Modbus-ASCII 模式

數(shù)據(jù)以16 進(jìn)制數(shù)值再轉(zhuǎn)換為ASCII 碼型式傳輸，傳輸為字符‘0’～‘9’及字符‘A’～‘F’（即實(shí)際數(shù)據(jù)為16進(jìn)制0x30～0x39 及0x41～0x46），其幀格式如下：

表2

表3

表4

主機(jī)發(fā)送命令（表3）。

從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)（表4）。

Modbus 數(shù)據(jù)幀通過RS485 或RS232 總線進(jìn)行串行通信，數(shù)據(jù)以字節(jié)型式傳輸，傳輸時(shí)低位在前，高位在后，串行通信采用固定波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，常用波特率為2400bps、4800bps、9600bps、19200bps 等，本例中波特率采用最常用的9600bps（即每秒傳輸9600 位，每位傳輸時(shí)間約為104.167μs），8 位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1 位停止位，則每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為10 位，每秒傳輸960 個(gè)字節(jié)。

2 單片機(jī)選用及編程注意事項(xiàng)

本例所用的智能儀表主芯片為TI 公司生產(chǎn)的MSP430F5438 超低功耗Flash 型單片機(jī)，擁有4 路USCI_A 型模塊可進(jìn)行UART 串行通信，本例為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)RTU 通信及ASCII 通信，使用USCI_A1 模塊進(jìn)行RTU 模式編程，USCI_A3 模塊進(jìn)行ASCII 模式編程，系統(tǒng)主時(shí)鐘采用12MHz晶振，其優(yōu)點(diǎn)是通信波特率在(600～19200)bps 范圍內(nèi)，時(shí)鐘分頻為整數(shù)，不需要做步進(jìn)調(diào)整，不會(huì)產(chǎn)生誤碼。數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，接收完畢后，單片機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否為本機(jī)命令（由從機(jī)地址碼區(qū)分），進(jìn)行校驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)正確則根據(jù)命令返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，否則丟棄準(zhǔn)備下一次接收。

在編程中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）Modbus 的寄存器地址為1～9999，但實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)為起始地址減1，例如從起始地址1 開始返回?cái)?shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)為0x00、0x00（ASCII 為0x30、0x30、0x30、0x30）。

（2）Modbus 協(xié)議規(guī)定16 位數(shù)據(jù)采用高字節(jié)優(yōu)先傳輸，以本文的儀表通信為例，主機(jī)向地址為1的從機(jī)發(fā)送命令讀取起始地址為1 開始連續(xù)2 個(gè)寄存器數(shù)據(jù)，則發(fā)送命令為：

RTU 模 式：0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x02 0xC4 0x0B（8 字節(jié)）

返回?cái)?shù)據(jù)：0x01 0x03 0x04 0x81 0x0A 0x43 0x34 0xC2 0xEA（9 字節(jié)）

返回的四字節(jié)數(shù)據(jù)為float 型，由于Modbus 協(xié)議高字節(jié)先傳輸，所以數(shù)據(jù)實(shí)際為0x4334810A，即為浮點(diǎn)數(shù)180.504059。

ASCII 模 式：0x3A 0x30 0x31 0x30 0x33 0x30 0x30 0x30 0x30 0x30 0x30 0x30 0x32 0x46 0x41 0x0D 0x0A(17 字節(jié))

返回?cái)?shù)據(jù)：0x3A 0x30 0x31 0x30 0x33 0x30 0x38 0x38 0x31 0x30 0x41 0x34 0x33 0x33 0x34 0x46 0x32 0x0D 0x0A(19 字節(jié))

返回的8 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)代表一個(gè)float 型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需先進(jìn)行16 進(jìn)制處理為0x81 0x0A 0x43 0x34，再進(jìn)行高低字節(jié)調(diào)換為0x4334810A，即浮點(diǎn)數(shù)180.504059。

（3）以上為正常的4 字節(jié)數(shù)據(jù)處理方式，還有一種數(shù)據(jù)傳輸方式稱為互換模式，即將存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的4 字節(jié)數(shù)據(jù)完全按照從最高字節(jié)到最低字節(jié)輸出，例如，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為0x0A(最低位)0x81 0x34 0x43(最高位)，則輸出為0x43 0x34 0x81 0x0A。某些智能儀表采用此種方式傳輸數(shù)據(jù)。

（4）Modbus 協(xié)議規(guī)定幀與幀之間的時(shí)間間隔應(yīng)＞3.5個(gè)位周期，數(shù)據(jù)傳輸位間隔應(yīng)＜1.5 個(gè)位周期，以9600bps通信速率為例，則幀間隔應(yīng)＞364.585μs，位間隔＜165.25μs。編程時(shí)應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)處理所占時(shí)間，必要時(shí)增加延時(shí)。

3 與上位機(jī)通信

本例中以PC 機(jī)為主機(jī)，采用Modscan32 這款成熟的Modbus 通信測試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，智能儀表作為從機(jī)接收PC 機(jī)命令，根據(jù)命令返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，PC 機(jī)和智能儀表之間通過RS485 總線連接。部分調(diào)試界面，見圖1、圖2。

圖2 Modbus-ASCII 通信界面

通過以上調(diào)試界面，實(shí)現(xiàn)了PC 機(jī)和智能儀表之間的modbus 通信，說明單片機(jī)嵌入式程序編寫是正確的。

4 結(jié)語

Modbus 協(xié)議是工業(yè)控制領(lǐng)域中最通用、最開放的通信協(xié)議之一，得到了眾多廠商的支持。通過Modbus 協(xié)議，不同廠商的設(shè)備可以方便地連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行相互通信。Modbus 的兩種傳輸模式相比，ASCII 方式更直觀，但傳輸相同數(shù)據(jù)需要的字節(jié)數(shù)更多，效率低；RTU 模式傳輸字節(jié)數(shù)少，效率更高，更適用于測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。