基于ModBus的多路通信控制系統的設計方案

侯海燕

（無錫科技職業學院軟件與服務外包學院，江蘇 無錫214028）

0 引言

工業控制已從單機控制走向集中監控、集散控制，如今已進入網絡時代，工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。ModBus就是工業控制器的網絡協議中的一種，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。基于上述原理，本項目的伺服電機聯動控制系統擬采用ModBus RTU通信協議進行數據通信，控制多路PMW輸出，達到能夠同時對多臺電機聯動控制的目的。傳輸介質采用無線介質，延長了通信距離，在工業應用中日趨廣泛。

本項目利用上位機和多個多路PMW輸出級聯控制板卡相連，設計實現基于ModBus協議的上位機軟件，監控、調整、微調多路PMW輸出，可廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

1 通信系統硬件設計

1.1 控制系統硬件結構圖

控制板卡采用自主研發的NMA_BPC1000同步控制器模塊，主要用于控制多個變頻器，單個控制模塊具備12路DA信號輸出。采用GY-12DA同步控制器模塊，通過RS485通訊與PLC或電腦連接，產生0~10VDC模擬量輸出。其板載資源包括：1路RS485接口，支持ModBus-RTU協議；12路DA輸出，輸出幅度0~10V；支持多個ModBus從站站點設置，最多支持9個站點；正常工作電壓+24VDC，輸入電壓范圍+22VDC~+26VDC，功耗4W。

本控制器具備1路RS485接口、電源輸入接口及DA輸出接口3中電氣接口，其各自連接器在板上分布如下圖1所示：

圖1 NMA_BPC1000電氣連接示意圖

1.2 ModBus-RTU控制說明

GY_12DA支持ModBus-RTU協議，其讀寫操作支持單寄存器寫(06功能碼)、多寄存器讀（03功能碼）、多寄存器寫（10功能碼）。其控制寄存器及說明如下：

表1 NMA1000_BPC1000控制寄存器

1.2.1 電壓設置寄存器（0x0~0xB）

ModBus寄存器地址0x0~0xB為用戶讀寫設置地址，用來被用戶寫入DA輸出值用，輸入值范圍為0~5000，對應輸出電壓為0V~10.00V。

此寄存器初始值為0。

1.2.2 電壓滿度微調寄存器（0x1000~0x100B）

ModBus寄存器地址0x1000~0x100B為維護及微調參數地址，用來對滿度的輸出電壓10.00V進行微調使用，輸入值范圍為-10~10。此寄存器初始值在出廠前由廠家進行調整完畢，用戶一般情況下禁止操作。此寄存器不可反復進行寫入操作，用戶調整完參數后應關閉此寄存器的寫入操作，否則，將降低控制器的使用壽命。

2 通信系統下位機軟件設計

2.1 ModBus RTU協議

ModBus是一種廣泛應用于工業控制領域的標準通信協議，ModBus協議定義的是一種數據幀結構，獨立于物理層介質，所以控制器能夠識別和使用，而不管設備通信的網絡類型，具有良好的適用性。當ModBus協議應用在標準ModBus網絡.將被直接傳送；如果應用在其他網絡，ModBus協議將被封裝到該網絡的通信數據幀結構中發送。

ModBus通訊協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。ModBus協議連接工控設備可形成工業網絡，進行集中監控。RS-485是一個多引出線接口，這個接口可以有多個驅動器和接收器，可以實現一臺PC與多臺單片機之間的串行通信。而且RS-485的最長傳輸距離可達1200m，適合于遠距離傳輸。本項目需要實現多站點通信，采用Rs-485串口通信標準。

本項目依據ModBus RTU模式協議，該協議特點有使用CRC校驗，數據幀的開頭和結尾都使用不少于3個半字符的時間間隔作為標志，數據幀的發送必須是一個連續的數據流，不允許中途停頓。

2.2 數據幀結構

ModBus數據幀包括幾個部分，地址、功能碼、校驗碼等。其中地址指的是從站棧號，取值為1-9，0為廣播地址。功能碼表示上位機要求從站執行何種操作。GY_12DA功能碼有單寄存器寫(06功能碼)、多寄存器讀（03功能碼）、多寄存器寫（10功能碼）。從站收到上位機的功能碼后，如果一切正常，將原樣返回功能碼，否則，將返回錯誤代碼。提示上位機有錯誤發生。數據足請求和響應的主要內容。當上位機向從站請求讀取寄存器內容時，數據將包括寄存器的起始地址及讀取的寄存器個數。寄存器是從站存放數據的地方，它的起始地址是從l開始的。但是上位機計算是由0開始的.所以對應的實際寄存器地址應該加l。從站回送響應的數據包括數據長度、實際采集的數據。數據長度只是計算數據區的長度，并不管其他部分的長度。如果從站出現異常，數據就返回錯誤代碼(Exception code)，說明發生何種錯誤。

CRC校驗即循環冗余校驗，是一個16位字，加入到數據幀時CRC是低位在前，高位在后。

表2 ModBus數據幀格式

2.3 下位機通信軟件設計

本系統單片機采用的是GY-12DA同步控制器模塊，程序采用C語言編寫。從實時性考慮，下位機的通信程序采用的是中斷方式。該控制系統支持多點通信，最大支持9個站點，站點號選擇開關E1采用旋轉編碼器實現，旋轉編碼器支持0~9共10個編碼，其中0號編碼為模塊維護使用，編碼1~9代表ModBus站點號1~9。

下位機通信終端程序流程圖見圖3，首先進行系統初始化(圖2)，其中需要對ModBus協議初始化和使能，3個定時器初始化，一個定時器控制4路PMW信號，從而控制12路PMW輸出。檢測RS485接口是否收到數據，啟動ModBus定時器，檢測是否接受到ModBus數據幀，如果數據幀在確定范圍內，進行CRC校驗，如果從站地址正好是當前站號，檢測功能碼是否存在，實現讀寫功能。

圖2 系統初始化

圖3 系統控制流程

3 結語

本文提出并設計了一種多路PMW控制板卡的設計與實現方案，可以適用于PC機和多個板卡之間的串行通信控制系統中，該控制板卡采用RS-485總線標準，半雙工傳輸方式。下位機充分利用ModBus協議原理設計實現PMW多路控制輸出，測試表明，該設計方案可行。

［1］王有緒,許杰.PIC系列單片機接口技術及應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2001,5：136-160.

［2］楊旭雷,張浩.基于RS485總線的測控系統串行通信協議及軟硬件實現[J].電氣自動化,2002(2)：28-31.