嵌入式系統中MODBUS通信的教學研究與實踐

王雪

摘 ? 要：文章針對MODBUS通信協議進行了實踐和教學研究。首先，指出了MODBUS協議的重要性以及地位作用;其次，分析了MODBUS幀的結構和通信原理，再利用一個通信項目分析了MODBUS通信的詳細過程和開發代碼;最后，指出MODBUS通信過程中需要注意的問題，并進行了總結，這對于MODBUS項目的研究與開發有重要的參考價值。

關鍵詞：MODBUS通信協議;STC單片機;485通信;工業物聯網

1 ? ?網絡通信概述

隨著計算機通信技術的發展，越來越多的計算機系統連接到網絡當中，網絡通信成為當前信息科學最為熱點的問題之一，尤其在工業控制與物聯網領域，如何安全、快速、便捷地傳送數據，成為衡量工業發展水平的重要標志之一。與傳統PC機相比，工業領域的信息通信的特點[1]在于：通信主機結構類型不盡相同;通信環境有可能會受到輻射干擾;通信設備成本限制;通信組網信息安全;網絡拓撲結構各異。在這種背景下，選擇什么樣的通信方式和通信協議，就顯得異常關鍵。

2 ? ?MODBUS通信協議

MODBUS[2]是由施耐德電氣（現在的Modicon公司）于1979年為PLC之間的通信而研發的一種串行通信協議，它為連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供了C/S通信，目前已經成為工業領域通信協議的業界標準。自1979年以來，使成千上萬的自動化設備能夠通信，很好地解決工業領域面臨的通信難題，成為目前主流的工業物聯網通信協議。

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（Protocol Data Unit，PDU）。特定總線或網絡上的 MODBUS協議映射能夠在應用數據單元（Application Data Unit，ADU）上引入一些附加域。啟動MODBUS事務處理的客戶機創建MODBUS應用數據單元。功能碼向服務器指示將執行哪種操作。MODBUS協議建立了客戶機啟動的請求格式。MODBUS事務處理流程如圖1所示。

3 ? ?MODBUS通信實踐與教學

3.1 ?總體結構

采用單片機與PC上位機的串口通信方式，并采用RS485總線進行信號傳輸，以保證信號的總體質量。單片機一端作為服務器端，不主動發送數據，只是等待應答客戶端請求的數據。PC機作為客戶端，負責啟動請求與接收響應。

與RS232相比，采用RS485總線的好處在于：（1）傳輸方式不同。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。而RS485則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式。在穩定性和抗干擾性方面都有明顯優勢。（2）傳輸距離不同。RS-232適合本地設備之間的通信，傳輸距離一般不超過20 m。而RS-485的傳輸距離為幾十米到上千米。（3）主機數量不同。RS-232只允許一對一通信，而RS-485接口在總線上是允許連接收發器多達128個。

3.2 ?MODBUS軟件設計

MODBUS公共功能碼是MODBUS協議通用的功能碼，這個功能碼是預先被定義好的，并且需要保證是唯一的、公開證明的。對應于每個操作訪問，相關程序代碼如下：

void readCoil（void）; //讀線圈

void readRegisters（void）; //讀寄存器

void forceSingleCoil（void）; //強制單個線圈

void presetSingleRegister（void）; //設置單個寄存器

void presetMultipleRegisters（void）; //設置多個寄存器

void forceMultipleCoils（void）; //強制多個線圈

3.3 ?MODBUS通信從機軟件設計

MOBUS通信的主要過程包括：（1）進行系統初始化設置，主要包括定時器初始化，串口初始化，中斷服務函數的編寫和變量定義。（2）定時處理，不是指定時器與計數器的初始化，而是指判斷一個完整的MODBUS幀是否結束的時間。關于區分兩個幀的間隔時間，有許多衡量方法，一般采用延時幾十微秒的方法。（3）循環監聽MODBUS狀態，一旦收到完整的數據幀，便開始處理，利用前面講到的MODBUS庫函數進行處理。在完成讀寫任務后，按照MODBUS幀規則，應答數據通過MODBUS總線傳回客戶端。部分初始化代碼如下。

//串口初始化代碼

void UartInit （ULONG baud， UCHAR mode）

{ IE=0x90;

TMOD = （TMOD & 0X0F） | 0X20;

TH1 = -22118400L/12/32/9600;

TL1 = -22118400L/12/32/9600;

TR1 = 1;

SCON = 0X50;

PCON |= 0X80; }

//串口中斷服務函數代碼

void commIntProc（void） interrupt 4

{ if （！RI） return;

RI = 0;

receTimeOut = 20;

receBuf[receCount] = SBUF;

receCount ++;

receCount &= 0x0f; }

4 ? ?開發過程需要注意的問題

4.1 ?單片機型號的選擇

單片機最常用的主要包括89C51和89C52系列，許多型號的單片機均可采用這種型號的工程。然而，單片機開發時最好要用自己的工程型號以及頭文件。如本例用到的STC15系列單片機，需要在建立工程時便選定型號，并且加入其特有的頭文件：#include “stc15.h”。這樣，才能保證工程能夠編譯通過并正確下載到芯片中。

4.2 ?波特率的控制

在傳輸過程中，客戶機與服務器的波特率設置必須完全一致，否則將接收不到正確的數據。受到傳輸距離和單片機性能的約束，在速度選擇上要適中，具體情況要通過實驗得以驗證，一般不宜過高或過低。

4.3 ?傳輸距離

MODBUS通信物理層多采用的是串行通信，在通信過程中不同類型的串行通信差別很大，如RS232和RS485在通信原理和通信性能上都存在很大差異，在開發過程中，應該根據需要合理選擇，避免造成信號不穩定。

4.4 ?CRC校驗碼

循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）可以有效地檢測到傳輸問題導致的數據錯誤，它的原理是利用CRC算法將數據幀轉換成一個CRC檢驗碼，接收方在接收到數據以后，再重新計算校驗碼并與發送時的檢驗碼相比對，以檢驗數據的準確性。在實踐過程中，CRC校驗碼的生成和檢測一般直接利用庫函數完成，不是MODBUS研究的重點，在開發和教學過程中應當注意區分。

4.5 ?節點數量

有的項目可能需要幾百甚至上千個節點進行485通信，從理論上講，無論是MODBUS還是485總線都是有數量限制的，MODBUS的數量最多240個。485總線根據芯片的不同，差異也很大，在幾十到幾百之間。同時，還受到線路長度的影響。如果想讓更多的設備連接在一起，需要采用中繼器或者多串口服務器一類的設備進行網絡拓撲。

5 ? ?結語

通過對MODBUS的系統研究與實驗論證，證明MODBUS協議在單片機平臺上，利用RS485通信是十分可靠并可以實現的，可以應用到嵌入式系統等相關課程的教學當中。通過合理的組織教學，讓學生能夠熟悉并掌握工業現場的應用技術，更接近市場的人才需求，內容適合物聯網相關專業的學生學習。同時，還要注意講授內容的取舍，把重點放在MODBUS協議本身，以免使學生產生畏難心理。