基于Modbus_RTU的遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的設(shè)計(jì)

【摘要】介紹了Modbus通信協(xié)議的特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備在分布式控制系統(tǒng)中的作用，提出了一種具有Modbus_RTU接口的遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的設(shè)計(jì)，并對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，該設(shè)計(jì)利用了Modbus_RTU協(xié)議的開放性和易用性，在單片機(jī)運(yùn)行、端口隔離等方面進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，對(duì)完善分布式控制系統(tǒng)功能具有促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程;Modbus;輸入輸出;單片機(jī);抗干擾

引言

Modbus通信協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種通信協(xié)議，它采用主從問答方式工作，是一種真正開放、標(biāo)準(zhǔn)的、免收許可費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[1]。Modbus通信協(xié)議廣泛應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)控制主站（例如可編程控制器）與分站（例如遠(yuǎn)程輸入輸出接口）、傳感器通信的一種常用協(xié)議。在分布式控制系統(tǒng)中，控制主站實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能，但系統(tǒng)中存在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和遠(yuǎn)程控制輸出點(diǎn)，需要通過現(xiàn)場(chǎng)總線的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，由于Modbus協(xié)議簡(jiǎn)單開放的特點(diǎn)，在這種情況下經(jīng)常應(yīng)用。遠(yuǎn)程輸入輸出接口是分布式控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，兼容Modbus接口能夠很好地提高設(shè)備的易用性和性價(jià)比。Modbus通信模式分為ASCII和RTU兩種，RTU是最常用的模式，本文提出了一種具有Modbus_RTU通信接口的遠(yuǎn)程輸入輸出接口的設(shè)計(jì)方法，能夠滿足分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

1.Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus通信協(xié)議具有開放性好、易實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 因而具有廣闊的應(yīng)用前景，被越來(lái)越多的設(shè)備廠商所支持。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成Modbus工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，由Modbus通信的主站對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)非常好的監(jiān)控效果和系統(tǒng)性能[2]。

Modbus沒有規(guī)定物理層，它只規(guī)定了可以被通信節(jié)點(diǎn)識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]。Modbus規(guī)定了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的形式，數(shù)據(jù)通信采用主從方式，主站可以向特定的從站發(fā)起讀寫命令，也可以向所有從站發(fā)起廣播命令。在同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，所有通信節(jié)點(diǎn)（包括主站和從站）都必須設(shè)置相同的通信參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位，而字符超時(shí)、回復(fù)超時(shí)等保護(hù)參數(shù)每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以不盡相同。

Modbus通信模式分為ASCII和RTU兩種，兩者的不同主要在于數(shù)據(jù)格式，兩者的數(shù)據(jù)格式分別如表1和表2所示。

表1

位置 起始位 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù) LRC校驗(yàn) 結(jié)束符

字符個(gè)數(shù) 1 2 3 n 2 2

表2

位置 起始位 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù) CRC校驗(yàn) 結(jié)束符

位數(shù) 靜止時(shí)段 8bit 8bit N*8bit 2*8bit 靜止時(shí)段

Modbus功能碼可以是1-255范圍內(nèi)任何整數(shù)值，有些功能碼適用于所有的通信設(shè)備，有些則只適用于特定的控制器，還有一些用于功能的擴(kuò)展。

主站通過時(shí)間間隔的方式判斷的通信幀的結(jié)束，從站在收到主站的命令后，需要至少間隔3.5個(gè)字符周期才能回復(fù)數(shù)據(jù)，如果時(shí)間間隔不夠，主站將無(wú)法區(qū)分主站的數(shù)據(jù)幀和從站的數(shù)據(jù)幀。如果一幀數(shù)據(jù)在完成之前有一個(gè)1.5字符周期的停頓，則接收端會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)損壞而丟棄數(shù)據(jù)。尤其當(dāng)通信波特率不大于19.2kbps時(shí)，對(duì)1.5字符周期和3.5字符周期有嚴(yán)格要求，當(dāng)通信波特率大于19.2kbps時(shí)，1.5字符周期固定為750us，3.5字符周期固定為1.75ms。從機(jī)必須保證同步主機(jī)的時(shí)序，否則無(wú)法正確接受主機(jī)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，從機(jī)還要有合理的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，間隔至少3.5字符周期，否則會(huì)導(dǎo)致主機(jī)和其他從機(jī)誤判，但收發(fā)轉(zhuǎn)換周期也不能超過主機(jī)的回復(fù)超時(shí)時(shí)間，否則主機(jī)會(huì)做出超時(shí)判斷。

2.硬件設(shè)計(jì)

基于Modbus_RTU的遠(yuǎn)程輸入輸出接口的硬件電路框圖如圖1所示。硬件電路主要包括處理器（單片機(jī)）、輸入輸出隔離器件和RS485收發(fā)器三個(gè)部分。

圖1 硬件電路框圖

單片機(jī)是輸入輸出接口設(shè)備的核心，其接收來(lái)自總線的數(shù)據(jù)命令，根據(jù)命令的形式，控制相應(yīng)的端口輸出或?qū)⒉杉降亩丝谛畔⑦M(jìn)行回復(fù)。單片機(jī)的電路部分又可以分為電源、晶振、看門狗三個(gè)部分，電源是數(shù)字電路工作的必須部分，通常單片機(jī)的電源是一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路，通用單片機(jī)的工作電壓一般為3.3V或5V，而普通開關(guān)電源或AC-DC模塊的輸出電壓一般為12V或24V，所以需要降壓。為了保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定，需要在降壓器件的輸出側(cè)加穩(wěn)壓二極管和電容，以保證電壓的穩(wěn)定和降低紋波。晶振為單片機(jī)工作提供時(shí)基，晶振分為內(nèi)部晶振和外部晶振兩種，外部晶振具有更好的精度和穩(wěn)定性。單片機(jī)工作在工業(yè)環(huán)境中，容易受到各種干擾，會(huì)導(dǎo)致控制程序出現(xiàn)異常，看門狗電路可以將出現(xiàn)異常的程序及時(shí)拉回到正常狀態(tài)，防止出現(xiàn)事故。看門狗的原理是定時(shí)接收單片機(jī)發(fā)出的周期信號(hào)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)沒有收到周期信號(hào)后，將單片機(jī)熱復(fù)位，讓程序重新運(yùn)行，而這個(gè)過程單片機(jī)的RAM不會(huì)發(fā)生改變，保證控制功能可以繼續(xù)。

在工業(yè)控制環(huán)境中，各種干擾會(huì)沖擊傳輸線路，這就需要對(duì)單片機(jī)的端口進(jìn)行隔離，將干擾阻擋在隔離器件之外，首先保證單片機(jī)的安全。常用的隔離器件有光耦和磁耦，光耦傳輸速率相對(duì)較低，可以在輸入輸出端口隔離中使用，磁耦的傳輸速率相對(duì)較高，可以在通信隔離中使用。

單片機(jī)的串口一般只支持TTL電平，如果需要連接Modbus總線（物理層為RS485），則需要RS485總線收發(fā)器，RS485收發(fā)器將接收到的RS485差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平信號(hào)，將單片機(jī)發(fā)出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485差分信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)Modbus總線與單片機(jī)信號(hào)的互聯(lián)。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。初始化部分主要完成單片機(jī)的初始配置，包括晶振的設(shè)置、定時(shí)器的設(shè)置、Modbus_RTU協(xié)議棧的設(shè)置和端口的輸入輸出設(shè)置。采集端口信息部分完成對(duì)單片機(jī)輸入端口的電平采集，端口的電平狀態(tài)需要進(jìn)行濾波，防止?fàn)顟B(tài)出現(xiàn)頻繁跳動(dòng)，濾波采用平均濾波法，即在一定時(shí)間內(nèi)采集數(shù)次端口的電平，數(shù)次電平一致，則認(rèn)為電平已穩(wěn)定，將穩(wěn)定的電平值定期存儲(chǔ)在Modbus_RTU寄存器中，以備Modbus主站讀取。Modbus數(shù)據(jù)處理部分采用中斷的形式，當(dāng)總線上收到來(lái)自主站的命令時(shí)，觸發(fā)一次中斷，置中斷標(biāo)識(shí)。在中斷處理程序中，首先判斷收到的命令是讀命令還是寫命令，如果是讀命令，則根據(jù)Modbus_RTU協(xié)議規(guī)則，把主站想要讀取的寄存器的值回復(fù)給主站，如果是寫命令，則改變相應(yīng)的寄存器的值，進(jìn)而根據(jù)內(nèi)部寄存器與外部端口的映射關(guān)系，將相應(yīng)的單片機(jī)端口置位。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主站對(duì)遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的輸入口信息的采集和主站對(duì)遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的輸出口的控制，主站具有總線控制權(quán)，可以隨時(shí)采集端口信息和控制端口輸出。

圖2 軟件流程圖

4.結(jié)語(yǔ)

按照上述方法設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)控制主站對(duì)遠(yuǎn)端輸入端口的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)控制主站可以實(shí)時(shí)控制遠(yuǎn)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，軟硬件設(shè)計(jì)均進(jìn)行了抗干擾處理，能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)控制環(huán)境。此設(shè)計(jì)已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，對(duì)完善分布式控制系統(tǒng)功能具有促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：謝印釗（1988—），男，黑龍江鶴崗人，主要研究方向：電氣自動(dòng)化。