基于Modbus 通信協(xié)議的信號采集系統(tǒng)

吳晨紅

（合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 前言

如今，嵌入式系統(tǒng)在人們的生活中隨處可見。從應(yīng)用的角度，嵌入式系統(tǒng)包括監(jiān)視裝置[1]。在嵌入式系統(tǒng)中，此信號采集系統(tǒng)屬于是監(jiān)視裝置。在各種工業(yè)現(xiàn)場總線被應(yīng)用于各行各業(yè)的電壓監(jiān)視裝置中時，并沒有一個標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的總線協(xié)議，導(dǎo)致使用者感受到數(shù)據(jù)可讀性差或難度較大且復(fù)雜。所以使用一種開放性、可擴(kuò)充性和標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議對促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)視裝置的發(fā)展顯得尤為重要。Modicon 公司于1927 年發(fā)明Modbus 協(xié)議[2]，具有劃時代意義。Modbus 協(xié)議以其開放性、高可靠性、高效簡單性、免費等優(yōu)點，在監(jiān)視裝置領(lǐng)域被廣泛使用，表現(xiàn)出Modbus協(xié)議強大的生命力，在我國監(jiān)視裝置領(lǐng)域已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。Modbus 協(xié)議支持RS-485 通信接口。因此，如果我們實現(xiàn)了在下位機與PC 端之間通過RS-485 總線并以Modbus 通信協(xié)議進(jìn)行 的正常通信，就可以達(dá)到電壓監(jiān)視裝置開放性、可擴(kuò)充性和標(biāo)準(zhǔn)化的目的。

在此系統(tǒng)中,下位機之間選用CAN（Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場總線）總線[2]完成數(shù)據(jù)傳輸。在強噪音的環(huán)境下，CAN 總線目前今在監(jiān)控裝置中應(yīng)用較多的RS-485 總線的誤碼率低。同時，CAN 總線具有穩(wěn)定簡單的開放性設(shè)計，以及成本低廉[3]的特點。因而CAN 總線可在電壓監(jiān)視裝置中應(yīng)用,使離散的數(shù)據(jù)檢測實現(xiàn)可靠性和實時性的數(shù)據(jù)交換。

因為人們對更為方便的生活需求逐漸變強，不斷促進(jìn)著工業(yè)的發(fā)展。工業(yè)現(xiàn)場中出現(xiàn)多臺設(shè)備之間的通信需求促進(jìn)了監(jiān)視裝置的發(fā)展進(jìn)步。為提供對控制系統(tǒng)的集中管理，此設(shè)計基于各總線技術(shù)的基礎(chǔ)，結(jié)合Modbus 協(xié)議的方式來實現(xiàn)對監(jiān)控點電壓信號的檢測與數(shù)據(jù)傳輸。且該系統(tǒng)對需要基于Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控設(shè)備具有參考意義，如溫度、濕度和水位等數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于Modbus通信協(xié)議的信號采集系統(tǒng)的功能流程如下：

（1）下位機2 將信號源轉(zhuǎn)換為電信號，單片機將接受的數(shù)據(jù)通過CAN 總線發(fā)送給下位機1；

（2）下位機1通過按鍵控制接受對電壓模擬信號的采集；

（3）當(dāng)PC 端發(fā)送Modbus 協(xié)議的查詢指令，下位機1 則通過RS-485 總線以Modbus 協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳到PC 端。

基于Modbus 通信協(xié)議的信號采集系統(tǒng)將以STM-32F103C8T6 微控制器(Microcontroller Unit,MCU)控制各模塊，完成對信號源電壓信號的采集。此信號采集系統(tǒng)可以將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時也能將所采集的電壓數(shù)字信號發(fā)送給PC 端，以達(dá)到一定距離的電壓監(jiān)控目的。綜上所述，基于Modbus 通信協(xié)議的信號采集系統(tǒng)可由以下6 個部分組成：信號源、電壓采集模塊、STM32 微控制器模塊、CAN 總線傳輸模塊、RS-485 總線傳輸模塊和PC端接收模塊。

電壓采集系統(tǒng)的工作原理如下：信號源的電壓信號先通過電壓采集模塊，即通過STM32 的ADC（Analog-to-Digital Converter,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器）將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號，由下位機2 的STM32 微控制器模塊保存，再經(jīng)過CAN 總線傳輸?shù)较聶C位1。信號經(jīng)下機位1 的MCU 微控制單元處理后，數(shù)據(jù)將通過以Modbus 協(xié)議由RS-485 總線上傳給電腦端的串口助手接收，如圖1 所示。

圖1 基于Mobus 通信協(xié)議的信號采集系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 電壓采集模塊設(shè)計

STM32 的ADC 模塊起著將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的中介作用。STM32F103 系列MCU 上自帶12 位的ADC 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器[4]，具有的18 個通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換有單次和連續(xù)的模式，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以二進(jìn)制[4]的形式保存。

ADC 的重要參數(shù)包括量程、分辨率和精度[1]等。在此系統(tǒng)中的STM32F103C8T6 芯片[5]，由PA0 腳接外部信號源。芯片以1MHz 轉(zhuǎn)化速率、12 位轉(zhuǎn)化結(jié)果（12 位0～4095）。電壓量程為單極性，范圍為0～+3.3V；分辨率為12 位；最小精度位3.3V/212=0.0008056640625V；將采集的數(shù)據(jù)用電壓來顯示，設(shè)采集的數(shù)據(jù)為C（0～4095），則采樣電壓為U（V）計算公式為：

■2.2 CAN 總線傳輸模塊設(shè)計

CAN 通信系統(tǒng)的每個節(jié)點都包括CAN 收發(fā)器、CAN 控制器[6]和微處理器3 個部分。微處理器STM32F103C8T6可控制CAN 節(jié)點數(shù)據(jù)的收發(fā)、處理和緩存；CAN 收發(fā)器選用JTA1050 芯片，這是一款有較強的抗干擾能力、速率較高的芯片；STM32F103C8T6 芯片以其內(nèi)部自帶bxCAN[7]（Basic Extended CAN,基本擴(kuò)展CAN）作為CAN 控制器。用來以CAN 的協(xié)議格式發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

作為一款標(biāo)準(zhǔn)高速CAN 收發(fā)器，TJA1050 芯片當(dāng)作物理總線和STM32F103C8T6 之間的接口。TJA1050 是一款5V 供電的芯片,可以給予CAN 控制器差動接收功能，以及給予CAN 總線差動發(fā)送性能。CAN 物理層的模式選用閉環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)，總線通訊速度最高為1Mbps，最大長度有40m。CAN 總線遵照ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)是短距離的、高速的網(wǎng)絡(luò)。總線的左右兩邊分別加上一個“120 歐”的終端電阻，如圖2 所示。

圖2 CAN 接口電路

■2.3 RS-485 總線傳輸模塊設(shè)計

STM32F103C8T6 將USART3 作 為RS-485 接 口[8]電路使用，而接口芯片選用的是MAX3485 芯片，這是一款3.3V供電的RS-485 芯片。MAX3485 芯片的DI 和RO 管腳分別接STM32 的PB10 和PB11 管腳，作為信號的接收和發(fā)送端；芯片的DE和兩個管腳分別是發(fā)送使能端和接收使能端，如圖3 所示。系統(tǒng)通信利用STM32 的USART3 外設(shè)作為通信節(jié)點中的串口控制器，連接MAX3485 芯片收發(fā)引腳，以完成由USART3 外設(shè)的TTL 電平信號轉(zhuǎn)化成RS-485 的差分信號。

圖3 RS—485 接口電路

Modbus 協(xié)議用在RS-485 通訊接口。因此，在下位機與上位機之間的通信我們通過基于Modbus 協(xié)議的RS-485總線來完成通過RS-485總線進(jìn)行基于Modbus協(xié)議的通信。

3 關(guān)鍵軟件設(shè)計

此系統(tǒng)采用針對嵌入式平臺的Modbus 協(xié)議作為上位機與下位機之間的通信協(xié)議。Modbus 協(xié)議的RTU（Remote Terminal Unit,遠(yuǎn)程終端裝置）模式[9]。RTU 方式下，數(shù)據(jù)收發(fā)的判定是經(jīng)過時間標(biāo)記器來確定數(shù)據(jù)幀的起始端和末端，并通過CRC（Cyclic Redundancy Check,循環(huán)冗余校驗碼）數(shù)據(jù)校驗[2]。Modbus RTU 協(xié)議[2]進(jìn)行通信時，每條指令需要連續(xù)的傳輸，并且指令中每8 位字節(jié)則分成兩個4 位十六進(jìn)制的字符。電壓采集系統(tǒng)以PC 端為主站，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為從站，PC 端發(fā)送查詢指令到下位機，下位機根據(jù)各自的編號向上位機返回各項采集的數(shù)據(jù)，返回的數(shù)據(jù)通過Modbus 調(diào)試精靈顯示和查詢。此系統(tǒng)使用03 功能碼讀取保持寄存器,以及獲取十六進(jìn)制電壓數(shù)據(jù)的高位和低位。03 功能碼查詢指令和應(yīng)答格式如圖4 所示。

圖4 03 功能碼指令格式

Modbus RTU 協(xié)議需要對每個從站分配不同的地址，以完成一個一主機與多個從機進(jìn)行通信。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計的思想，其中下位機1 主要分為STM32 微控制器模塊、CAN 總線傳輸模塊和RS-485 總線傳輸模塊，如圖5 所示。下位機1 首先要完成系統(tǒng)初始化，配置好各通信參數(shù)，再調(diào)用串口接收命令讀取上位機查詢指令的數(shù)據(jù)幀；確定查詢地址正確后，再確定CRC 校驗正確與否；若校驗都正確，則將對應(yīng)的電壓數(shù)值保存到Modbus 的返回指令的數(shù)據(jù)位中；否則，上位機接收不到返回數(shù)據(jù)。

圖5 下位機1 系統(tǒng)采集流程圖

4 測試結(jié)果與分析

PC 端與下位機1 通過USB 轉(zhuǎn)RS-485 轉(zhuǎn)換器連接來配置各通信參數(shù)，構(gòu)建測試環(huán)境。可以得到讀寄存器區(qū)的收發(fā)指令分別為：

（1）上位機發(fā)送查詢指令：04 03 00 00 00 02 C4 5E；

（2）上位機接收到的指令：04 03 04 00 E6 00 07 0F 06；

其中接收指令格式如下：設(shè)備地址、03功能碼、4個字節(jié)、十六進(jìn)制電壓的低八位數(shù)值、十六進(jìn)制電壓的高八位數(shù)值、CRC 校驗位。綜上所述，此時采集的十六進(jìn)制電壓數(shù)據(jù)為07E6，即對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)據(jù)2022，將數(shù)據(jù)帶入公式(1)可以得到：采樣電壓=（2022/4096）×3.3V=1.629V。

由上述計算過程得到的測試結(jié)果可知：在一定誤差內(nèi)，所得采樣電壓值與測試點實際電壓值近似相等。所以該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以Modbus 通信協(xié)議格式獲得信號源的電壓，符合系統(tǒng)要求，如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)采樣表

5 結(jié)論

此系統(tǒng)包含信號源、電壓采集模塊、STM32 微控制器模塊、CAN 總線傳輸模塊、RS-485 總線傳輸模塊、電腦端串口助手?jǐn)?shù)據(jù)接收模塊6 個組成部分，從而電腦端可實時查詢信號源的電壓值，實現(xiàn)了電壓監(jiān)視裝置與Modbus 協(xié)議的結(jié)合，并完成了電壓數(shù)據(jù)的正常傳輸。本文對需要基于Modbus 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控設(shè)備具有參考意義，實現(xiàn)了一定距離的更具兼容性的通信系統(tǒng)，具備推廣價值，可助力工業(yè)現(xiàn)場自動化的快速發(fā)展。