基于Modbus協議的臺達DVP系列PLC位姿監控功能擴展

劉立博，丁茹

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

Modbus通信協議是由美國Modicon(莫迪康)公司于1979年發明的，2004年，中國國家標準委員會正式將Modbus作為國家標準。由于其開放性、可擴展性和標準化使其成為工控領域應用范圍最廣的通信協議，通過Modbus協議可以將不同廠商的不同設備以簡單可靠的方式接入通信網絡，實現系統的集中監控、分散控制功能。

臺達DVP系列PLC具有網絡通信功能，其COM2（RS485接口）支持主站（master）或從站（slave）之通信協議。利用其自帶的Modbus讀寫相關應用指令，可以實現PLC與多種設備之間的主從、從主通信。本篇論文采用一臺DVP系列PLC與一個美國ATMEL公司的ATMEGA2560單片機實驗板和一個觸摸屏（HMI）組成通信網絡，其中單片機與PLC之間利用Modbus RTU協議建立主從通信，將單片機采集到的距離、運動姿態傳感器數據傳輸到PLC中做儲存，觸摸屏與

PLC之間通過Ethernet（以太網）建立通信，再由觸摸屏顯示出來，為PLC控制擴展出一個基于Modbus協議的位姿監控功能，其硬件原理框圖如圖1所示。圖1中，Trig為觸發測距引腳；Echo為返回測距結果引腳；SDA為串行數據引腳；SCL為時鐘引腳；MAX485為TTL轉RS485轉換器。

1 Modbus協議簡介

圖1 硬件原理框圖

在串行鏈路中，Modbus作為一種簡單的主從協議（客戶機/服務器協議）進行通信。客戶機作為主站向服務器發送請求；服務器（從站）接到請求后，對請求進行分析并作出應答。Modbus通信協議主要具有兩種模式，分別是ASCII（美國標準信息交換代碼）模式和RTU（遠程終端單元）模式。在ASCII模式中，數據位中的每個8bit都被分為兩個ASCII字符發送，消息幀的開始與結束處有標記并且采用的是簡單一些的LRC校驗方式。這種模式的優點是操作簡單并且不容易產生錯誤，缺點是數據傳輸效率比較低，不適用于數據較多的情況下使用。在RTU模式中，數據位中的每個8bit包含兩個4bit的十六進制字符，消息幀的開始與結束處沒有標記但采用的是復雜一些的CRC校驗方式。這種模式的優點是在相同波特率的情況下，數據傳輸效率比較高。本文中的通信需要傳輸多組傳感器數據，所以采用的是Modbus-RTU模式進行通信。Modbus的通信幀被稱為應用數據單元（Application Data Unit，ADU），其包括通信地址段、功能代碼段、數據段和校驗段，功能代碼段和數據段組合成為協議數據單元(Protocol Data Unit，PDU)，具體結構如圖2所示（RTU模式）。

圖2 Modbus-RTU通信幀結構

起始位與結束位：通信幀的起始與結束字符，因為RTU并沒有在開始與結束處進行標記，因此，多個Modbus通信幀之間的時間間隔要大于3.5個字符的時間才能成功識別通信幀。

設備地址：Modbus通信中從站設備的地址，其有效范圍是0～247（十進制）。

功能代碼：在Modbus協議中已經規定了一些通用的功能代碼如：01功能碼表示讀取線圈狀態；02功能碼表示讀取離散量狀態；03功能碼表示讀取保持寄存器等。

數據區：數據區中有2個16進制的數據位，數據范圍是00～FF（16進制）。

CRC校驗：循環冗余校驗。

2 DVP-ES2系列PLC的從站程序設計

本設計中，PLC與單片機間通過RS485接口通信，PLC的從站通信設置程序如圖3所示。

圖3 從站通信設置梯形圖

圖中，由特殊功能繼電器M1002在PLC啟動時提供正向脈沖，觸發程序啟動。首先，通過對D1120賦值對RS485通信格式進行設置：數據長度為8，無奇偶校驗，通信停止位設置為1，通信傳輸速率設置為9600，無起始與結束字符。M1120置位則設定通信格式保持。對D1129賦值K100設置通信逾時的時間為100ms。M1143置位則通信模式為Modbus-RTU模式。輔助繼電器M0的功能為將M1122（COM2送信要求）置位并啟動MODRD指令，其中K1為將聯機裝置地址設置為1，H1100為第一筆數據在PLC中的通信地址，K5為讀取數據的筆數，此指令的執行結果為通過Modbus依次讀取H1100、H1101、H1102、H1103、H1104數據地址中的當前數據信息并將返回值以十六進制數值形式依次儲存到特殊數據寄存器D1073、D1075、D1077、D1079、D1081中，此時，通信成功標志特殊功能寄存器M1127閉合，同時，將數據傳送給一般寄存器D0～D4做顯示（D0～D4對應觸摸屏中5個數據顯示窗口內存地址），隨之將M1127復位。M1129特殊功能輔助繼電器的作用是當PLC或單片機發生某些突發情況造成通信逾時的情況下，自動將M1129置為on，程序中由M1129觸發送信要求M1122再讀取一次，同時，將M1129復位。

3 單片機的主站程序設計

單片機的程序包含Modbus的主站通信程序以及對超聲波測距傳感器和運動姿態傳感器的應用程序，采用ARDUINO IDE開發環境，使用C語言編寫，使用Kalman庫、Wire庫以及Math庫對運動傳感器回傳的數據進行解析，使用ModbusMaster庫對Modbus主站進行通信設置。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

在主循環程序中，需要對各傳感器回傳的數字量信號進行解算處理。對于日本TDK公司的MPU6050運動姿態傳感器：首先，利用Wire庫讀出傳感器內部寄存器中的測量值，由于噪音等因素的影響，該值存在數據偏移的現象，所以對偏移量進行校準，之后利用Math庫計算出各運動參數，為進一步保證各參數的準確度，最后，利用Kalman庫對各運動參數進行濾波處理得出最終的運算結果。其中，橫滾角Roll與俯仰角Pitch的計算公式為：

式中，x、y、z分別為加速度計的三個坐標軸分量（存儲于MPU6050芯片內部寄存器）。

橫滾角速度RollRate與俯仰角速度PitchRate的計算公式為：

式中，Gyrx與Gyry分別為角速度計的x軸與y軸的分量（存儲于MPU6050芯片內部寄存器）。

對于HC-SR04超聲波測距傳感器：首先，觸發傳感器發出超聲波脈沖，然后，等待反射回的脈沖，使用pulseIn()函數記錄此過程的時間t并換算出距離distance（cm）。即為：

式中，pulseIn()所記錄的時間t單位為微秒，聲速v為344m/s，所以距離distance=344*100/1000000*pulseIn()/2約等于pulseIn()/58.0。

最后，利用ModbusMaster庫中的node.writeSingleRegister指令，將各數值存入相應寄存器中。具體程序如下：

其中，Modbus通信地址與PLC通信地址的對應關系如表1所示。

表1 DVP系列PLC裝置通信地址（部分）

4 實驗結果

為驗證傳感器測量的數據是否成功通過Modbus協議經過單片機與PLC回傳到觸摸屏上做顯示，按照本文所述方案搭建實驗電路如圖5所示。將PLC程序與單片機程序成功焼寫之后，經上電測試可以實現Modbus通信，所顯示數據均為傳感器實際測量的數據。

圖5 實驗電路

5 結語

本文著重介紹了Modbus協議的基本結構與原理，設計了基于Modbus-RTU協議的單片機與臺達DVP系列PLC的主從通信系統，實現了對HC-SR04超聲波測距傳感器以及MPU6050運動姿態傳感器所測量數據的傳輸，搭配功能靈活的單片機為PLC擴展出位姿監控功能。該系統可搭配多種傳感器應用于各種需要數據傳輸的PLC控制系統中，為其它基于臺達DVP系列PLC的功能擴展提供了很好的參考。