基于Modbus通信控制器的設計與實現

陳俊煒，周政，李宇翔，繆文南

（廣州城市理工學院電子信息工程學院，廣東廣州，510800）

0 引言

隨著中國科技的快速發展，工業控制系統在各個行業中應用非常廣泛，例如農業、礦山、油田等領域發揮著巨大的作用。在工業現場中，通常是采用一個主節點對多個子節點進行控制或數據采集。在傳輸介質方面可以利用無線技術，相對于有線通訊網絡，無線通訊網網絡具有極高的靈活性的移動性，且傳輸范圍廣。因此，在工業現場的設計中，對主節點和子節點的通信方式和通信協議的設計就顯得至關重要。針對控制器通信問題，本文將Modbus技術與無線技術相結合，設計一套低成本，高安全性，高快捷且基于Modbus協議的無線控制系統。通過無線Modbus通信網絡，主機可以根據地址調用設備，隨時讀取設備的場數據和控制設備的工作狀態。

1 系統方案設計

系統主要由STM32最小系統、SX1268無線模塊、RS-485通信模塊、穩壓模塊、繼電器電路、電壓采集模塊、拓展模塊、LED電路組成。系統方案如圖1所示。其中電源供電使用了LM2596開關電源電路和AMS1117線性低壓差穩壓電源電路。繼電器電路使用TPL521可控制的光耦合器件和ULN2003大電流驅動陣列驅動繼電器。TPL521負責強電和弱電的隔離，增強系統穩定性。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列，STM32主控器內置的模數轉換器（ADC）進行電壓采集。

圖1 系統硬件框圖

2 系統硬件模塊設計

2.1 STM32最小系統設計

STM32的最小系統的電路圖如圖2所示，主要由復位電路、下載接口、BOOT選擇電路、濾波電路組成。選用STM32G070芯片，內置了16MHZ的晶振，經過PLL倍頻器，可以得到64M的時鐘頻率。在STM32G0x0中，通過BOOT0引腳和引導配置位nBOOT1、BOOT_SEL和nBOOT0來選擇三種不同的引導模式，我們禁用BOOT0引腳功能，然后軟件將所有bit置1，將用戶閃存作為啟動區。選用SW調試接口。使用的j-link仿真器，最高可以達到50M的調試速度。結合RC電路，當按鍵按下時，復位引腳處于低電平，單片機進入復位狀態。

圖2 STM32最小系統工作電路原理圖

2.2 穩壓電源電路設計

系統供電部分輸入電壓為12V，通過開關電源電路將電壓降到5V，再利用低壓差線性穩壓電源將電壓降到3.3V，分別給各個模塊供電。開關電源的供電接口采用了常用的DC接口，使用方便，而電源芯片則采用了貼片的LM2596-5.0。LM2596集成芯片是一個開關電源的芯片，開關頻率為150khz，最大輸出電流可以達到3A，電源工作原理圖如圖3所示。圖中輸入12V電壓經過一個二極管，利用二極管的正向導通特性，可以有效的防止電源反接。輸入電容C5具有濾波的作用，可以使輸出電壓平穩。

圖3 開關電源電路

同時輸出3.3V的低壓差線性采用TPS73733DCQR線性電源芯片，為系統提供穩定的3.3V的工作電壓，在TPS73733DCQR的輸入端口和輸出端口都放置了1uF的濾波電容，用于濾除干擾，提高了系統的穩定性。

2.3 繼電器電路設計

繼電器的控制電路如圖4所示，本次設計選用了歐姆龍的兩開兩閉電磁式繼電器，最大可以承受5A的電流，觸發電壓12V，為了驅動繼電器，使用ULN2003ADR高壓大電流達林頓晶體管陣列進行電流放大，使用TPL521可控制的光耦合器件對強電和弱電進行隔離，防止高壓沖擊損壞單片機。

圖4 繼電器電路

3 軟件部分實現

本文使用RTX實時操作系統對系統創建了3個任務，分別用于無線模塊數據處理、RS-485模塊數據處理、用戶輸入檢測。其中串口的數據使用了中斷+FIFO隊列的方式進行傳輸，收到數據之后將數據存放到消息郵箱中，然后任務會對郵箱中的數據進行處理解析，使用全局標志位標記表示各個模式，并在模式切換時清除舊數據，初始化新數據，系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程

3.1 Modbus從機處理框架及功能實現

當無線控制器被設置為從機時，根據Modbus協議，從機不會主動與主機進行通信，也不會和其他的子節點進行通信。所以從機的程序以對主機的請求做出判斷并作出響應的應答為主。其運行的流程圖如圖6所示。

圖6 從機軟件框架流程圖

其中Modbus根據數據模型的不同定義了許多的功能碼，其中比較常用的有：01H、02H、03H、04H、05H、10H。功能碼01H的作用是讀取線圈狀態，其請求的協議格式為子節點的地址+功能碼+寄存器地址的高字節和低字節+寄存器數量的高字節和低字節+ CRC校驗的高字節和低字節，從機的應答格式為子節點的地址+功能碼+返回數據長度+返回數據1到n，CRC校驗的高字節和低字節。響應處理的流程圖如圖7所示。

圖7 功能碼01H軟件處理流程圖

功能碼05H和0FH功能都是寫線圈，區別在于05H是對單個線圈操作，0FH是對多個線圈操作，0FH的用法和01H差不多，而且用的不多，這里不詳細介紹。Modbus數據幀的地址域、功能碼和CRC域的定義都是相同的，區別主要在于數據域，所以05H其請求的協議數據域為寄存器地址的高低字節+數據的高低字節，從機的數據域為：寄存器地址高字節:1，寄存器地址低字節:1，被讀取寄存器值的高低字節，數據段處于FF00表示設置ON狀態，0000H表示設置OFF狀態。響應處理的流程圖如圖8所示，先讀取寄存器號和數據，然后設置寄存器的值，完成之后返回應答，最后計算CRC檢驗之后發送給主機。

圖8 功能碼05H軟件處理流程圖

功能碼02H的作用是讀取離散寄存器的狀態，離散寄存器的狀態是只讀的，不可以改寫。功能碼04H的作用是讀輸入寄存器，輸入寄存器的數據支持16位的寬度，只讀。功能碼03H是用于讀保持寄存器，06H是寫單個保持寄存器，10H是寫多個保持寄存器，保持寄存器的數據格式和輸入寄存器一樣都是16位字節，但可以進行讀寫。

4 系統測試

系統測試采用需要兩套無線控制器進行測試。主機使用電腦的上位機作為主機，通過USB轉RS485連接到無線控制器，該控制器工作在轉發模式的主機模式下，用于將主機發送的指令通過無線模塊發送給從機。采用另一個無線控制器作為從機，使其工作在從機模式下。配置完成之后就可以開始進行調試。

功能碼01H用于讀線圈，本設計的從機一共有6個線圈寄存器，從機地址為1，寄存器首地址為0x0101，提前設置6個寄存器的值為110101，測試結果如表1所示。

表1 功能碼01H測試數據表

功能碼02H用于讀離散輸入寄存器，本設計的從機有1個離散輸入寄存器，用于采集按鍵2的狀態，寄存器首地址為0x0201，默認情況值為0，按鍵按下值為1，測試結果如表2所示。

表2 功能碼02H測試數據表

功能碼03H用于讀保持寄存器，本設計的從機有4個保持寄存器，通常保持寄存器可用于存儲版本號等信息，提前設置保持寄存器的值為0x2020, 0x0507, 0x1240, 0x0000，寄存器首地址為0x0301，測試結果如表3所示。

表3 功能碼03H測試數據表

以此類推，功能碼04H（輸入寄存器）、功能碼05H（單個線圈寄存器）、功能碼06H（保持寄存器）的結果表明可以一次尋址可實現多通道數據采集，具有良好的可擴展性。

5 結論

本文將Modbus技術與無線技術相結合，設計了一款Modbus控制系統進行設計，通過方案設計，模塊電路設計，軟件設計以及Modbus報文從機分析，較好實現了人機交互功能，通過系統測試表明，主機采集的數據與從機屏幕顯示的數據完全一致，一次尋址可實現多通道數據采集，數據發送出錯率低，穩定性高，因此本系統的實現為各自工業環境的數據傳輸及無線通信具有一定的研究價值。