摘 要：隨著計算機網絡、通訊、控制等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次。基于現場總線的智能儀表對現場總線技術在我國的推廣應用具有非常重要的意義。本文在Modbus現場總線協議的基礎上設計了一個工業溫度控制系統。 關鍵詞：現場總線; ModBus協議; 單片機控制 一、ModBus協議簡介 　　當今世界，工業控制已從單機控制走向集中監控、集散控制。在進入網絡時代的今天，工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。ModBus協議就是工業控制器的網絡協議中的一種。ModBus協議是Modicon公司于1978年發明的一種用于電子控制器進行控制和通訊的通訊協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標準化使它成為一個通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以簡單可靠地連成工業網絡，進行系統的集中監控，從而使它成為最流行的協議之一。 　　ModBus協議包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等，并沒有規定物理層。此協議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。標準的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口， RS-232C規定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息，ModBus的ASCII, RTU協議則在此基礎上規定了消息、數據的結構、命令和應答的方式。ModBus控制器的數據通信采用Master/Slave方式（主/從），即Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端以響應請求;Master端也可以直接發消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫。 　　ModBus可以應用在支持ModBus協議的PLC和PLC之間、PLC和個人計算機之間、計算機和計算機之間、遠程PLC和計算機之間以及遠程計算機之間（通過Modem連接），可見ModBus的應用是相當廣泛的。由于ModBus是一個事實上的工業標準，許多廠家的PLC, HMI、組態軟件都支持ModBus，而且ModBus是一個開放標準，其協議內容可以免費獲得，一些小型廠商甚至個人都可根據協議標準開發出支持ModBus的產品或軟件，從而使其產品聯入到ModBus的數據網絡中。因此，ModBus有著廣泛的應用基礎。在實際應用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯網。所以，ModBus的傳輸介質種類較多，可以根據傳輸距離來選擇。 二、ModBus協議的通訊格式 　　ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用何種模式由用戶自行選擇，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等）。在配置每個控制器的時候，同一個ModBus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。 　　2.1 ASCII模式 　　當控制器設為在ModBus網絡上以ASCII模式通信，在消息中的每個8Bit字節都作為兩個ASCII字符發送。這種方式的主要優點是字符發送的時間間隔可達到1秒而不產生錯誤。 　　表1 ASCII模式的消息幀 　　如表1所示，使用ASCII模式，消息以冒號（：）字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車換行符（ASCII碼0DH, 0AH）作為結束符。傳輸過程中，網絡上的設備不斷偵測“：”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備就解碼下個位的地址域，來判斷是否發給自己的。與地址域一致的設備繼續接受其它域，直至接受到回車換行符。除起始位和結束符外，其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0…9，A…F，當然也要用ASCII碼表示字符。當選用ASCII模式時，消息幀使用LRC（縱向冗長檢測）進行錯誤檢測。 　　2.2RTU模式 　　當控制器設為RTU模式時，消息幀中的每個8Bit字節包含兩個4Bit的十六進制字符。 　　表2 RTU模式的消息幀 　　該模式下消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸過程中，網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，相應的設備就對接下來的傳輸字符進行解碼，一旦有至少3. 5個字符時間的停頓就表示該消息的結束。 　　在RTU模式中整個消息幀必須作為一連續的流轉輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3. 5個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發生的話，必然會導致CRC校驗產生一個錯誤消息，反饋給發送方設備。 　　當控制器設為RTU（遠程終端單元）模式通信時，消息中的每個8Bit字節包含兩個4Bit的十六進制字符。這種模式與ASCII模式相比在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳送更多的數據。 三、系統設計 　　本文所設計的系統是一個基于modbus的工業控制網絡，它主要由實現現場控制功能的智能控制儀表、實現對智能控制儀表在線配置與監控功能的主機兩部分組成。作為從機的現場智能控制儀表主要任務有：實現現場溫度采集、輸出控制、顯示、系統配置以及響應主機激勵;主機的主要任務是在線配置從機、監控從機從而得到相應從機的狀態、歷史溫度數據分析;兩者之間的通訊是基于現場總線技術的。 　　3.1 系統的硬件設計 　　系統主要由通訊電路（輸入）、數據采集、輸出控制、LCD顯示、通信及電源模塊等組成。如圖1所示，系統具有對外界溫度信號進行采集的能力，采集的模擬信號經A/D模塊轉換為相應的數字量，送入微處理器進行處理。采集到的每一路溫度都要與系統此路的溫度設定值進行比較，然后根據結果調用合適的控制算法，并通過控制相應的繼電器的占空比實現對溫度的調節。 　　考慮到系統實際應用，在硬件設計方面，微控制器選用了臺灣Syncmos公司生產的8位微控制器SM5964, 它是80C52 微控制器家族的派生產品，其強大的片內資源，只需添加少量的外圍器件即可實現系統的要求。溫度測量利用Pt（100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經A/D模塊轉換后送入微處理進行處理。模數轉換器選用凌特公司（Linear Technology）推出的20位無延遲模數轉換器LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進行處理，并能夠滿足精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關的器件。 [align=center] 圖1 系統結構框圖[/align] 　　由于篇幅關系，只介紹本系統通信部分的電路原理。由于標準的ModBus物理層采用了RS-232串行通信標準，在PC機上模擬MODBUS通信通過使用RS-485插卡或者RS-232/ RS-485轉換模塊，實現多點通信，這里選用的是RS-232/RS-485轉換模塊。電路圖如圖2所示： [align=center] 圖2 通信電路原理圖[/align] 　　SM5964的串行發送端口TXD和接收端口RXD經MAX232芯片進行電平轉換后，分別與PC機的數據接收端口RXD和數據發送端口TXD相連接。SM5964串行通信的發送端TXD連接到的11引腳，發出的數據信號經過MAX232芯片轉換后，由0～5V的TTL電平變為-12～+12V的RS232電平，從14引腳輸出到PC機串行口的第二引腳。按RS232通信協議規定，PC機串行口的第二引腳為數據輸入端，這樣，發出的數據就可被PC機接收到。由PC機串行口的發送端TXD（PC機串行口的第三引腳）傳輸來的數據，作為RS232電平的信號輸入到MAX232芯片的第13引腳，經過MAX232芯片進行電平轉換后變為TTL電平，再由MAX232的12引腳輸出到SM5964串行口的接收端口RXD。從而完成數據的雙向傳輸。 　　在設計中，使用了兩個發光二極管D7和D8監視通信的工作狀態。 　　3.2 系統的軟件設計 　　本系統的軟件設計是基于軟件開發平臺μC/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個開放式內核，最主要的特點就是源碼公開，清晰明了。在單片機系統中嵌入μC/OS-II將增強系統的可靠性，并使得調試程序變得簡單起來。但由于它沒有功能強大的軟件包，基于具體應用需要自己編寫驅動程序，對內核進行擴充。為使其能夠正常工作，要根據具體的硬件平臺完成相應的移植工作。μC/OS-II是一個占先式的內核，即已經準備就緒的高優先級任務可以剝奪正在運行的低優先級任務的CPU使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內核要好。根據要實現的功能，我將系統劃分為如下6個任務：按鍵處理、LCD顯示、串行通信、輸出任務、控制運算、信號采集處理。這里只介紹和ModBus總線協議相關的部分。 　　當選用的是ModBus的RTU模式時，一幀報文中字節與字節之間的時間間隔比幀與幀之間的時間間隔小得多，因此主要的難點在于如何判斷一幀報文接收結束與否，這可以利用單片機內置的定時器來進行判斷。若實際實現時，我們選擇了19200的傳輸速率，那么空閑間隔時間T≥1/19200＊8＊3.5=1.5ms。每當接收到一個新的字節，就啟動定時器開始計時，定時器的時間設定為幀與幀之間的最小時間間隔（上面提到的例子中是1.5ms）。波特率不同，該時間的間隔也不同。若不到預定時間又接收到下一個字節，則說明一幀報文尚未結束，定時器重新開始計數;若定時器順利計數到預定時間，就會觸發相應的中斷，在該定時中斷服務程序中設定幀結束標志字節，表明一幀報文接收完畢。這樣就可以防止報文接收不完整，導致該幀通訊任務無法結束而影響下一幀的接收。 [align=center] 圖3 接收程序流程圖[/align] 　　如圖3所示，在一個幀開始接收時判斷接收的第一個字節是否為本機地址，如果是則保存到接收緩沖區中，不是則繼續等待下一幀報文的到來，這樣節省了保存數據的時間，接收中斷服務程序只是保存數據而不處理數據，只是在一幀新的報文接收結束后，通知系統（通過發出信號量來實現）;ModBus協議還規定了從方接收報文不正確時發問的出錯幀。考慮到裝置內部通信的過程不是很復雜，在實際應用中如果從方收到的報文校驗不正確，采取不作應答的方式。主方若在規定時間內未收到從方的應答報文時，將重發請求報文;若多次末收到從方應答報文，則報通訊故障。上面的措施大大縮短了中斷服務程序的執行時間，防止了系統資源的無謂浪費。 　　在數據處理方面設計了一個環形的緩沖區，用來存放接收到的數據，這個緩沖區是一個兩維數組。假設一個幀不超過12個字節，可以定義了一個5＊12的二維數組。數組的第一個元素是標志位，前四位用來表示數據是否已經處理，后四位存放接收的數據的個數;每接收一個幀的數據，數組下移一個。當接收的數據要覆蓋未處理數據時系統報警，這種情況一般不會發生，因為數據處理程序在本系統中被設成優先級最高。 　　在ModBus協議中另外一個問題就是CRC校驗和的計算問題，一般情況下它是由硬件電路直接產生的，這樣速度比較快，系統負載小;但是在本文中介紹的單片機中沒有這種專用電路，而且一般的中低端的單片機一般也不具有這種專用電路。這里我們只有充分利用現有的資源，如果直接計算的話，單片機負載很大，而且浪費了大量的系統時間，影響系統的實時性，考慮到我所使用的MCU的Flash ROM比較大，可以存儲大量的常量線性表數據，利用查表方式可以非常方便的計算出CRC校驗碼。 四、結束語 　　在本文中比較詳細地介紹了ModBus總線協議，并最終設計了一個實現多點溫度測量和控制的使用系統，希望本系統對類似的通訊應用有所幫助。 參考資料 　　1. Modicon ModBus Protocol Reference Guide.PI一MBUS一300 Rev. J 　　2. Mark Nelson著.串行通訊開發指南. 北京：中國水利水電出版社，2000 　　3. 王田苗主編.嵌入式系統設計與實例開發. 北京：清華大學出版社，2002