摘 要：提出了一套基于Modbus協議的總線控制系統，分析了Modbus協議的特點，介紹了Modbus協議的內容及通信過程，給出了系統的軟件實現方法，包括系統流程圖及部分校驗代碼。 關鍵詞：Modbus，現場總線，電火花，RTU 0. 前言 　　國內的大多數電火花設備由于實時性等方面的要求，控制系統均是基于dos環境設計，這種系統能滿足電加工的基本要求，但也大大影響了人機交互的改進以及遠程通信等現代控制的要求;模塊化結構可裁減性強，便于滿足不同用戶的需求，是系統深入發展的良好基礎;專業化的信號采集設備及檢測裝置成為系統穩定和可靠運行的保障;應用網絡技術，可做到信息處理綜合化，智能化;與此同時，VB、VC以及各種組態軟件的發展為人機界面及總線控制的發展的提供了良好的開發環境，使我們能夠設計出更為合理及人性化的系統。本文試圖將現場總線理論應用于電火花加工機床，并最終通過使用Modbus協議實現各設備之間的互聯。[4] 　　現場總線是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式，數字化，多點通信的底層控制網絡。[5][6]在整個工廠的控制網絡中，現場總線處于重要的基礎地位。 1. 控制系統結構 　　1.1 系統基本結構 　　現場總線控制系統一般采用上位計算機結合下位智能儀表來實現控制功能。在本系統中，由于系統的檢測裝置簡單易用，因此采用微控制器來讀取信號并最終傳輸給上位機。一般來說，總線系統主要包括變送器，總線和檢測站。在本套系統中，微控制器和檢測裝置成為智能儀表即變送器，它作為從機使用，但確是系統的核心部件，而上位機即檢測站主要完成人機交互的任務以及一些優化、復雜計算和控制的功能。個性化的人機界面以及標準化的總線結構設計，可方便的擴展系統的控制功能。 　　整套系統結構圖如圖1所示，系統最主要包括一個服務器，一臺pc機，三個微控制器及相關檢測設備。 [align=center] 圖1 系統結構圖[/align] 　　這幾層的工作主要包括： 　　1. 最底層為數據采集層，需要從現場采集實時的數據，比如油溫，油面高度等。三個微控制器作為現場控制層的核心器件，每個被賦予唯一的本機地址用以識別身份。微控制器即變送器也是整個系統的核心設備，其作用主要是采集間隙電壓，液位油溫，限位報警，手控盒控制等實時數據，自動實現伺服控制，自動滅火，風扇開關，定時抬刀等功能，并同時將數據輸出到modbus現場總線測控網絡。 　　2. 現場控制層的任務是將所有的加工狀態通過雙腳電纜送至控制室的監控計算機，組成現場總線網絡，而在此網絡中，所有傳輸的信息均遵循modbus協議。Modbus現場總線將現場變送器和檢測站連接成一個測控網絡，實現電火花加工的監測計量與管理。 　　3. 工廠監控層安裝人機界面軟件，負責監視所有加工參數即電規準，以及所有相關數據的顯示及鍵盤輸入信息處理等人機交互過程。pc機作為監控計算機，通過以太網連接到遠程管理中心，實現向上進行網絡運行;監控計算機可以安裝moden，通過現場進行單擊操作。 　　4. 最上層為遠程管理層，可以由以太網，top等局域網段組成，一般設服務器，pc機與服務器之間通過以太網卡，網關相連，也可通過路由器連接至廣域網。服務器是系統的外擴部分，可以選用。 　　1.2 物理實現 　　目前，可以通過下列三種方式實現Modbus通信：以太網上的TCP/IP;各種介質（有線：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A;光纖、無線等）上的串行鏈路上傳輸;Modbus PLUS，一種高速令牌傳遞網絡。選擇何種實現方式主要是依據他所連接的設備所處的地位。一般采用標準的232口即可，但由于計算機上的rs232傳送的距離不超過30m，因此可以選用485接口。除此之外，422口也為標準串行數據接口，表1列出了他們之間的主要差別。本套系統采用了隔離的RS-485通信方式來提供對Modbus的硬件支持。 [align=center] 表1 有線介質傳輸性能對比表[/align] 　　Modbus系統是一種主從網絡，容許一個計算機和一個或多個從機通信。當在Modbus網絡上通信時，每個控制器都有自己的設備地址，主機識別按地址發來的消息，并決定要產生何種行動。當在其他網絡上傳輸時，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。此時，控制器既可以作為主設備也可以作為從設備, 但不能兩者同時兼備。 　　根據各種設備的不同接口，總線上還可以串聯打印機等設備，也可以將這些設備直接連接至監控計算機的打印機端口或USB口，實現通信。 　　芯片要根據所接收的信息進行選擇，如果是數字量，則最常見的單片機或pic微控制器等均可選用，如果是模擬量如間隙電壓，則要選擇帶模擬端口的芯片。 　　電纜選擇可以根據所選擇的傳輸通道及距離來確定，這里選用的是帶屏蔽的雙絞電纜。 2 Modbus協議 　　Modbus協議是OSI模型第七層上的應用層報文傳輸協議，它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。互聯網組中已經保留TCP/IP系統端口502用以訪問Modbus，Modbus協議已經成為一種流行的工業控制傳輸標準。 　　2.1 協議內容 　　Modbus協議定義了消息與格式和內容的公共格式，主要采用命令/應答方式，每一種命令報文都對應著一種應答報文，命令報文由主站發出，當從站收到后，就發出相應的應答報文進行相應。Modbus的信息幀包括站點、字節長度、功能碼、操作地址、操作數據、CRC校驗值等。在Modbus系統中有兩種有效的傳遞模式即ASCII（美國標準信息交換碼）和RTU（遠程終端裝置）模式。內容格式及字符長度如下：[2] 　　由于RTU模式傳輸位數少，使用方便，本文內容均采用RTU模式。 　　2.2 通信過程 　　Modbus主從節點之間通信過程大致為： 　　（1）從節點通過特定的端口與主節點建立連接，等待接收主節點發送的請求幀信號。 　　（2）主節點根據實際需要達到的目的選擇合適的功能，將其對應的功能代碼保存在ADU的功能代碼域，把必要的參數和子功能代碼保存在數據域中，并將傳輸標志、協議標志、數據長度等存放在標志域中，從而組成一個完整的數據幀發送到從節點。 　　（3）從節點對收到的請求幀經過錯誤檢測后，根據協議的規定將其分解成基本功能單元，并按照功能代碼的要求完成特定的操作，最后還要返回一個功能回應信號。如果請求幀或某一步操作出錯，就返回一個錯誤報告。完備的出錯應答是Modbus的一個特點，這有利于通信主節點判斷通信的錯誤原因，從而將其排除，保證通信可靠進行，提高通信成功率。[3] 3. 軟件實現 　　軟件實現時包括：初始化關鍵字，包括波特率設置，數據位數，停止位數，奇偶校驗模式等，總線上所有的master及slave的以上設置應完全一致。 　　Modbus編程主要需處理好校驗碼的生成及數據包開始標志的檢測。[3] 　　3.1 地址定義 　　通信程序必須處理好數據報開始的標志，因為每次主機發送數據時，所有的從機都會接收到信息，但只有地址相同的從機才會響應，因此地址的判別至關重要。在兩個數據包之間modbus協議將提供3.5幀的空閑時間，此時，總線上所有的從機要做好接收準備，一旦主機有數據包發出，從機立刻接受此數據。這當中的第1幀即為地址幀。從機記錄該地址并判斷是否執行該功能。 　　通常，程序中會設置一個3.5幀計時器，當線路上有數據時計時器不計數，一旦線路空閑則計時器計數開始，直至該計時器停止計數，這時線路上開始有數據包發出，這第一幀數據即為地址幀。值得注意的是，3.5幀時間并非常數，應根據傳輸速率及幀校驗方式（奇偶校驗或無校驗）而定。 [align=center] 表2 ASCII模式傳輸格式[/align] [align=center] 表3 RTU模式傳輸格式[/align] 　　3.2 功能碼定義 　　客戶所請求的服務和服務器所提供的服務均通過功能碼（Function Code）標識。Modbus 功能碼分三種，即公共功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼， 　　公共功能碼是已定義的功能碼，保證其唯一性，包含現存已定義的公共指配功能碼和未來使用的未指配保留功能碼。用戶定義功能碼有兩個定義范圍，即 65 至 72 和十進制 100 至 110。用戶沒有 Modbus 組織的任何批準就可以選擇和實現一個功能碼。保留功能碼是一些公司對傳統產品通常使用的功能碼，并且對公共使用是無效的功能碼。 　　為使用方便，在本套系統中，我們僅編寫Modbus協議中的三個公共功能碼，包括寫單個寄存器0x06，讀多個寄存器0x13，讀寫多個寄存器0x17。以寫單個寄存器為例，請求信息為 　　響應為 　　函數流程圖如下： [align=center] 圖2 系統響應流程圖[/align] 　　除此之外，我們還可以擴展其他功能，比如利用讀文件記錄0x20，寫文件記錄0x21兩個功能碼來存儲系統的相關信息，如故障記錄，使用過的規準查詢，各設備使用情況等。 　　3.3 校驗碼的生成 　　根據傳輸模式的不同，系統需要產生不同的校驗碼（check sum）,ASCII模式采用LRC校驗（Longitudinal Redundancy Check）而RTU采用CRC校驗（Cyclical Redundancy Check），實現這兩種方法的函數均可以在相關資料中找到。下面是用C語言設計的CRC校驗，其中Unsigned char＊ data 為指向訊息緩沖區（buffer）之指針 Unsigned char length 為訊息緩沖區中位元組數目，而產生的返回值reg-crc即為回傳之校驗碼。[2] 　　unsigned int crc_chk（unsigned char ＊data, unsigned char length） 　　｛ 　　int j; 　　unsigned int reg_crc=0xFFFF; 　　while（length——） 　　｛ 　　reg_crc︿=＊data++; 　　for（j=0;j<8;j++） 　　｛ 　　if（reg_crc&0x01） 　　｛ 　　reg_crc=（reg_crc>>1）︿0xA001; 　　｝ 　　else 　　｛ 　　reg_crc=reg_crc>>1; 　　｝ 　　｝ 　　｝ 　　return reg_crc; 　　｝ 4. 總結 　　通過上述系統，希望能與先進控制設備實現對接，從而提高系統的改進速度，使機床整體性能得到提升。 　　本文作者創新點：將modbus這項廣泛應用的協議用于電火花加工機床，并在加工中取得了很好的加工效果，提高了整體機床的自動化程度。 5.參考文獻 　　（1） 朱小襄.Modbus通信協議及編程.電子工程師, vol.31. No.7 jul. 2005 　　（2） 臺達VFD-M變頻器使用手冊 　　（3） 基于Modbus/TCP協議通信節點的實現.機床與液壓,2004.No.12 　　（4） 楊大勇.電火花成形加工數控系統的研究.電加工與模具,2003年第1期 　　（5） 鮑吉龍，葉平. 工業監控系統的網絡化發展.微計算機信息,2006年第6-1期，P66-68 　　（6） 陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，2000 　　（7） 陳維剛.一種工業以太網與現場總線協議轉換器的研制.儀器儀表學報,第26卷第5期