Modbus協議在STM32單片機與MCGS通信中的應用研究

摘要：Modbus 協議因其簡單、開放和標準化的特點，已成為工業自動化領域廣泛應用的串行通信協議。通過分析Modbus 協議的工作原理及其在STM32 單片機與監視與控制通用系統（monitor and control generatedsystem，MCGS）通信中的關鍵作用，設計了一個高效、穩定的通信系統。該系統實現了STM32 單片機與MCGS 之間穩定、高效的數據交換，為工業自動化監控提供有力支持。通過介紹通信接口設計、Modbus 消息幀設計以及MCGS 軟件設計等方面的內容，為工業自動化監控提供一種高效、穩定的解決方案。

關鍵詞：Modbus 協議；STM32 單片機；MCGS；通信接口；工業自動化

中圖分類號：TN919.5；TP368.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著工業自動化的不斷發展，各種控制設備和傳感器之間的通信需求日益增加。為了實現不同廠商生產的控制設備之間互聯互通，需要一種通用的通信協議。Modbus 協議憑借其簡單、開放和標準化的特點，成為工業自動化領域廣泛應用的串行通信協議之一。在STM32 單片機與監視與控制通用系統（monitor and control generated system，MCGS） 通信的過程中，Modbus 協議發揮了關鍵作用。

1 Modbus協議概述

Modbus 協議規定了控制器之間以及控制器通過網絡（如以太網）與其他設備之間的通信準則，允許不同制造商生產的控制設備能夠連接工業網絡，實現集中監控。

在STM32 單片機與MCGS 通信的過程中，Modbus 協議發揮了關鍵作用。STM32 單片機作為一種兼具高性能與低成本的嵌入式系統控制器，被廣泛應用于多種工業控制場景中。而MCGS 作為一款通用的工業自動化監控軟件，則提供了豐富的圖形界面和強大的數據處理功能。基于Modbus 協議，STM32 單片機與MCGS 可以實現穩定、高效的數據交換，以及對工業過程的實時監控。Modbus協議通過規定一系列的標準功能碼，如讀取線圈狀態、讀取輸入狀態、寫入單個線圈、寫入多個線圈等，實現對設備的精確控制。例如，在STM32 單片機中，通過Modbus 協議將傳感器采集的數據發送到MCGS 以進行實時監控，MCGS 也可以通過該協議向STM32 發送控制指令，實現遠程操控。Modbus 協議還支持多種通信接口，如推薦標準485（recommended standard 485，RS-485）、傳輸控制協議/ 因特網互聯協議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）等接口，使其在不同的工業環境中都具有廣泛的適用性[1]。在STM32 與MCGS 的通信中，通常采用的是串行通信方式，如RS-485 接口，該接口因長距離、高速率和低成本的特點而被廣泛應用。

2 STM32單片機與MCGS的通信系統設計

在STM32 單片機與MCGS 的通信系統設計中，首先要考慮系統的穩定性、實時性和擴展性。本文分析了Modbus 協議在工業自動化領域的應用，結合STM32 單片機的強大功能與MCGS 組態軟件的靈活性，構建了一個高效、可靠的通信系統。

本文針對STM32 單片機進行了細致的硬件配置和軟件編程。在硬件配置方面，選擇了合適的串口通信模塊，以確保數據的穩定傳輸。在軟件編程方面，優化了串口初始化、數據接收與發送等關鍵函數，提高了通信效率。利用MCGS 組態軟件的圖形化界面和數據處理能力，用戶可以直接監控STM32 單片機，體現了人機交互的友好性。MCGS強大的數據處理能力使得系統能夠實時分析、存儲和展示從STM32 單片機接收的數據。在通信協議的選擇上，該通信系統采用了廣泛應用的Modbus協議。該協議不僅簡單易用，而且具有良好的兼容性和可擴展性。

3 通信接口設計

系統最終選定了型號為TPC7062TX 的MCGS觸摸屏作為上位監控設備，該設備的通信接口采用RS-485 接口。STM32 單片機與MCGS 觸摸屏通信接口之間存在電平不匹配的問題。STM32 單片機串口使用的是晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistorlogic，TTL）電平，電壓波動范圍為0 ～ 3.3 V，而MCGS 觸摸屏的RS-485 接口支持的電壓范圍為-6 ～ 6 V。由于這種電平差異，需要一個轉接芯片來確保雙方能夠平穩通信。因此，本系統選擇了性能穩定的Sipex 公司SP3072EEN 芯片。

圖1 展示了SP3072EEN 芯片的應用電路設計。在該設計中，芯片的左側引腳與STM32 單片機進行連接。RO 接口（數據發送引腳）通過4.7 kΩ 的上拉電阻與單片機的接收引腳相連，以確保數據傳輸的穩定性。DI 接口作為數據接收引腳，與單片機的發送端連接，從而實現數據的快速接收。在通信開始之前，需要激活芯片的發送（RE）和接收（DE）引腳。為了簡化電路設計并節省端口資源，系統將這兩個引腳連接后接入單片機的單一使能端口，實現單一控制功能。芯片的右側A、B 引腳與MCGS 觸摸屏的RS-485 接口相連，這兩個引腳利用電壓差來表示不同的邏輯狀態。其中，B 引腳配備了下拉電阻R2，A 引腳則連接了上拉電阻R3，確保非通信狀態下信號維持在邏輯“1”，即高電平狀態。R3 作為終端電阻，負責有效吸收線路上的反射信號并減少信號干擾[2]。

4 Modbus消息幀設計

Modbus 協議最初是為實現可編程控制器之間的通信而設計的，如今它已發展為工業現場的主流總線協議。在這一協議框架下，MCGS 監控平臺扮演指令發送者的角色，主動與STM32 單片機進行通信。而STM32 單片機則作為從設備，根據接收的指令類型做出相應的響應。

Modbus 協議的消息幀格式包括美國信息交換標準代碼（American standard code for informationinterchange，ASCII） 和遠程終端單元（remoteterminal unit，RTU）兩種，其中ASCII 格式是以字符為單位進行傳輸的，可讀性強，但傳輸效率較低；RTU 格式則基于字符流進行數據傳輸，傳輸速度更快、效率更高。因此，本文采用RTU格式進行設計，Modbus RTU 消息幀結構如圖2 所示。

Modbus 協議支持多達255 個功能碼，為系統的靈活性和可擴展性提供了堅實的基礎。采用的MCGS 組態軟件支持01、02、03、04 等功能碼，這些功能碼在通信過程中發揮關鍵作用，不僅定義了數據的讀取和寫入操作，還確保了數據傳輸的準確性和可靠性。以功能碼03 為例，通常用于讀取多個保持寄存器的內容[3]。當MCGS 監控平臺需要獲取STM32 單片機中某些寄存器的當前值時，就會發送包含功能碼03 的Modbus 請求。STM32 單片機在接收到該請求后，會根據請求中的寄存器地址和數量，讀取相應的寄存器值，將這些值打包成Modbus 響應幀發送回MCGS 監控平臺。

采用基于Modbus 協議的通信方式，確保了數據傳輸的準確性和效率，使得系統更加靈活和可擴展。通過合理地選擇和使用功能碼，可以輕松地實現對STM32 單片機的遠程監控，滿足各種復雜的工業自動化需求。

5 Modbus協議控制流程

在探討Modbus 協議的控制流程時，本文主要聚焦于單片機模塊如何響應上位機并且通過組態屏內置驅動自動生成的Modbus 請求。該過程的核心在于STM32 單片機的編程與響應機制。STM32 單片機的串口配置與上位機相匹配是有效通信的基礎。數據采集的周期取決于系統對實時性的需求以及單片機的數據處理能力。在本系統中，STM32單片機采用定時器來管理數據采集和響應的周期。當組態端發出Modbus 請求幀時，請求經過電平轉換模塊后被傳送至單片機的串口進行緩存。該過程中，串口中斷被觸發，通過組態屏內置驅動自動生成的Modbus 請求幀，經過電平轉換模塊傳送至STM32 單片機的串口緩存區中。STM32 單片機通過專門的讀取函數訪問串口緩存區，獲取上位機發送的請求數據。在確認數據完整性后，系統會進行循環冗余校核（cyclic redundancy check，CRC）校驗以確保數據的準確性。一旦校驗無誤，Modbus請求幀的不同字段將被解析并存儲在單片機的緩存數組中[4]。單片機根據接收的功能碼和操作地址來決定如何響應。例如，如果功能碼指示讀取某個寄存器的值，單片機將會從相應地址讀取數據，生成Modbus 響應幀并且將其發送回上位機。若依據功能碼要求寫入數據，單片機則會將指定數據寫入對應地址。Modbus 協議工作流程如圖3 所示，該流程的順暢運行依賴于每個環節的精確配合，包括串口的正確配置、定時器的精確控制、數據的準確校驗以及功能碼的正確解析與執行。

6 MCGS軟件設計

在MCGS 軟件設計中，本文考慮了用戶界面的友好性、數據處理的準確性和實時性以及系統的可擴展性。MCGS 作為一種功能強大的組態軟件，為工業自動化的監控提供了豐富的工具和資源。首先，本文設計了一個直觀且易于操作的用戶界面[5]。通過圖形化的界面設計，用戶能夠輕松查看和控制STM32 單片機的狀態。該設計還提供了豐富的數據展示功能，如實時曲線、歷史數據查詢等，以便用戶能夠全面了解系統的運行情況。在數據處理方面，利用MCGS 提供的數據處理函數和腳本語言。通過編寫相應的腳本程序，對從STM32單片機接收的數據進行實時處理和分析，這些數據不僅可以用于界面的實時更新，還可以存儲至數據庫中供后續分析使用。此外，隨著工業自動化需求的不斷增長，系統需要接入更多的設備和傳感器，因此在MCGS 軟件設計中預留了豐富的接口和功能模塊，以便未來能夠輕松地擴展系統的功能和規模。

7 結論

隨著工業自動化技術的不斷進步，人們對于設備之間的通信效率和穩定性要求也越來越高。本文圍繞Modbus 協議在STM32 單片機與MCGS 通信中的應用進行了深入探討，成功設計并實現了一個高效、穩定的通信系統。該系統不僅在技術層面實現了STM32 單片機與MCGS 之間的無縫對接，更在實際應用中為工業自動化監控提供了強大的支持。

參考文獻

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