ModbusASCII協議仿真在實驗教學中的應用

劉心紅 郭福田

摘? 要：在工業測控相關的教學實踐課程中，常常涉及上位機與智能儀器設備通信問題，而智能儀器儀表廣泛采用Modbus通信協議。鑒于工業用Modbus協議的設備價格昂貴，實驗過程復雜，本文開發了用于實驗的ModbusASCII仿真器，實現了ModbusASCII通信協議。

關鍵詞：通信協議;上位機;ModbusASCII;仿真

中圖分類號：TP2???? 文獻標識碼：B

引言

在工業測控相關的教學實踐課程中，常常購買大量昂貴的工業測控智能儀器、儀表和實驗臺，硬件設備維護工作量巨大。工業測控課程主要是通過計算機或PLC等上位機對測控儀器儀表（下位機）發送控制命令并從其采集數據實現測量與控制，主要涉及雙方的通信問題。由于智能儀器儀表都是用在工業控制系統中的，其功能強、可靠性高，價格昂貴，用于教學操作復雜，也過于奢侈浪費。為了降低測控實驗教學成本，本文開發了一個ModbusASCII仿真器，可構成虛擬的測控系統，用于學習編寫、運行及調試計算機測控程序，進行測控實驗。這樣，充分利用學校的計算機資源，減少了智能儀器儀表的費用和維護工作量，同時也可為學生提供了形象直觀的實驗過程。

1? ModbusASCII通信協議

Modbus協議已經成為工業領域通信協議的業界標準，是智能儀器儀表之間常用的通信方式。Modbus協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備，有ASCII、RTU和TCP三種通信格式，其標準性和多樣性非常適合作為測控軟件的教學內容。其中ModbusASCII通信數據格式比較簡單，使用ASCII即字符串格式，字符傳輸間隔要求不高，小于1秒就行，數據串可讀性強，易于實現。本文在分析了ModbusASCII通信格式的基礎上實現了相應的軟件仿真器。

Modbus 通信協議通常用于RS-485工業總線上，采用一主多從的通信方式，由于從機多，需要為每一個從機分配一個地址，主從之間采用異步傳輸方式，1位起始位，8位數據位，可不用奇偶校驗位，可采用1位停止位。

本文以ModbusASCII的2個常用功能03和06進行說明。03功能為讀取一個或多個寄存器的數據;06功能把1個16位的數據寫入某一寄存器。主機通過03和06號功能對從機的寄存器操作來讀寫其中任意存儲器中的數據，實現主從機的遠程測控。

以ModbusASCII的03功能為例（其它功能類似），其通信格式如下“：AA 03 XX XX YY YY LRC CR LF”，通信數據字符串可分為由2個16進制數構成的1個字節形式的2個字符對，連在一起構成命令或響應數據串。這里，“：”為數據串的起始位，AA（01到FF之間）為從機地址，03即功能碼，XXXX為起始寄存器號，YYYY為讀取寄存器數量，LRC為縱向校驗碼，由前面的2位數對求和取補得到，以檢測數據串傳輸是否有誤。CRLF為回車和換行符號，表示數據串結束。

2? ModbusASCII仿真器設計

ModbusASCII下位機仿真仿真器的設計思想是程序運行后處于字符串接收狀態，當從串行口收到命令串后，在接收事件中處理，根據命令要求，將需要的寄存器值構成應答串。

為了在VB中實現串行通信^[1]，仿真器設計中采用了微軟的MSCOMM控件，其屬性設置為：CommPort=3，即仿真器連接在串口3上;Rthreshold=1，即事件接收方式;InputMode=0為字符串收發方式，對應ModbusASCII的數據串格式;Settings=”9600，n，8，1”，即通信波特率為9600，無校驗，8位數據位，1個停止位。

Modbus協議是針對線圈和寄存器操作的，在仿真器程序中設計了10個16位寄存器，用戶可通過鍵盤輸入或顯示主機發來的4位16進制數。主機可通過ModbusASCII命令串讀取或改寫這些寄存器中的值。仿真器運行時，處于等待被查詢狀態，隨時接收上位機發來的命令串。在接收事件中對收到的命令串進行分析。首先檢查地址，確定是否接收命令串;然后再對數據串進行縱向冗余校驗，無錯則進一步查看是被讀命令還是寫命令;如果是被讀則發送需要的寄存器值，如果被寫則按設定值改寫相應寄存器的值。

3? 仿真實驗測試

為了在一臺計算機上進行測試，首先建立實驗測試環境，測試環境搭建需要3個軟件，一個是本文設計的仿真器;一個是測控工程中常用的Modbus Poll測試軟件;一個是模擬主從設備通過串口連接的虛擬串口軟件^[2]。

如下圖所示，測試軟件用03功能讀取仿真器的10個寄存器數據，也可以通過雙擊測試軟件中的數據改寫仿真器端對應寄存器中的值。可以看到主從雙方數據傳輸一致，仿真器測試成功。

測試成功后就可以將仿真器作為PLC、變頻器或各種智能儀器儀表使用。上位機測控軟件可以采用VB、VC或VC#等編程軟件設計，方便地通過字符串命令讀寫仿真器中寄存器數據，實現工業測控上位機監控系統。

4? 結束語

本文分析了ModbusASCII通信協議，開發了相應的實驗教學用的仿真器，可代替ModbusASCII通信協議的工業智能儀器儀表，該仿真器已經用于工控軟件設計等實驗教學中，替代了工業測控教學中一大類字符串通信的實驗設備。仿真器的使用提高了實驗效率，并節約了大量的經費，同時去除了硬件設備的維護工作量。用仿真器的實驗教學方法在測控課程學習方面具有一定的推廣意義。

參考文獻

[1]? 曾麗麗，劉心紅，趙忖，張昕編著. VB通信編程技術[M]. 北京：中國石化出版社. 2014.106-128

[2]? 劉心紅，郭福田，開關控制器仿真設計及其在教學中的應用[J].北京：知識-力量：2019，8（23），80-81

作者簡介：劉心紅（1966-），女（漢族），黑龍江大慶市人，工學學士，副教授，教師。現從事計算機軟件應用方面的教學與研究工作。

基金項目：秦皇島市科學技術研究與發展計劃課題：Modbus通信協議仿真及其在教學中的應用（201902A006）