便攜式Modbus現場總線協議分析儀研究與設計

王振力++林森++李冰

摘 要：基于Modbus現場總線通信協議的自動化儀表在工業現場應用越來越多，包括PLC、變送器、變頻器、伺服驅動器、數據采集模塊、觸摸屏等，采用Modbus現場總線的自動化系統變得越來越復雜，系統的可靠性降低，故障維護實現困難。便攜式Modbus協議分析儀為工程技術人員進行Modbus現場總線系統設計和故障診斷提供了有力支持，具有實際應用價值。

關鍵詞：Modbus現場總線 協議分析儀 便攜式

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0012-02

Abstract：Automatic instruments based on Modbus field bus communication protocol have been used more and more in industrial field， Including PLC， transmitter， frequency converter， servo driver， data acquisition module， touch screen and so on， The automation system using Modbus field bus is becoming more and more complex， the reliability of the system is reduced， and the maintenance of the fault is difficult. Portable Modbus fault diagnosis device provides strong support for engineering and technical personnel to design and diagnose Modbus fieldbus system， and has practical application value.

Key Words：Modbus Field Bus； Protocol Analyzer； Portable

1 研究背景

在信息化與工業化相結合的“兩化融合”背景下，智能化、網絡化、信息化是工業自動化系統的發展趨勢。現場總線成為了工業自動化領域的研究熱點，現場總線協議標準主要有Modbus、CAN、PROFIBUS、DeviceNet等，其中Modbus現場總線是早期用于Modicon品牌PLC通信應用，由于具有靈活、簡單、開放、免費等特點，Modbus現場總線得到了廣泛應用和發展。

協議分析儀是一種監視數據通信系統中的數據流，檢驗數據交換是否正確地按照協議的規定進行的專用測試工具，主要用于通信協議的開發、評價和分析。

便攜式Modbus協議分析儀為工程技術人員進行Modbus現場總線系統設計和故障診斷提供了有力支持，具有實際應用價值。

2 Modbus協議分析儀硬件設計

Modbus協議分析儀以智能儀器產品開發為應用背景，以單片機為核心設計通信接口和人機交互接口，硬件框圖如圖1所示。

本項目在充分研究Modbus現場總線協議的國際標準和國家標準的基礎上，運用嵌入式技術完成便攜式Modbus協議分析儀設計，利用開放式通信接口實現Modbus現場總線物理層標準，運用嵌入式軟件實現Modbus現場總線數據鏈路層和應用層標準，最終實現Modbus現場總線協議分析。硬件采用開關設定通信速率、站點地址、主從站、數據格式、有無應答等功能，最終通信結果可以采用LCD顯示。由于Modbus現場總線物理層標準常采用RS-485和RS-232，所以本項目采用雙串口單片機STC12C5A60S2。

3 Modbus協議分析儀軟件設計

Modbus現場總線協議的核心在于Modbus應用層協議，本設計通過讀取Modbus請求或者應答等數據幀進行分析，最終將分析結果在LCD上進行顯示。軟件設計主要任務有串行通信、數據分析處理和數據顯示等程序設計，程序流程圖如圖2所示。

3.1 串行通信程序設計

Modbus定義了兩種串行傳輸模式：RTU模式和ASCII模式，在Modbus串行鏈路上，所有設備的傳輸模式必須相同。串行通信程序設計主要包含單片機雙串口初始化程序，根據按鍵功能完成傳輸模式、站點地址、數據格式、通信速率和主從站工作模式等功能。

3.2 數據分析處理

Modbus協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDA），特定總線或網絡上的Modbus協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加字段。Modbus PDU中的功能碼主要作用是告知將執行哪種操作，功能碼后面是含有請求和響應參數的數據域。Modbus ADU中的附加地址用于告知站地址，差錯校驗碼是根據報文內容執行冗余校驗計算的結果。Modbus協議的通信時，首先主站準備請求并向服務器發送請求，然后從站分析并處理客戶機的請求，最后向主站發送處理結果。本設計主要是讀取Modbus數據幀，對其中各段信息內容進行存儲和數據分析，最終將分析結果通過LCD和指示燈顯示實現協議分析的功能。

4 結語

運用便攜式Modbus協議分析儀可以實現單獨測試Modbus主站、Modbus從站或者聯合測試Modbus總線系統，能夠測試出Modbus設備或者系統在進行現場總線通信時是否存在物理層、數據鏈路層或者應用層故障，尤其是應用層Modbus數據幀進行綜合分析，對Modbus現場總線產品設計、系統調試和故障診斷與維護等工作有很大幫助，具有很好的應用前景。

參考文獻

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