基于MODBUS RTU的組態(tài)王與智能儀表通訊

汪韓韓，楊 輝，張 華，朱淑云

（1. 南昌大學(xué) 機(jī)器人研究所，南昌 330031；2. 華東交通大學(xué) 科研處，南昌 330013；3. 南昌大學(xué) 教務(wù)處，南昌330031；4. 南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南昌 330031）

0 引言

MODBUS RTU協(xié)議是莫迪康公司發(fā)明的一種廣泛應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議規(guī)定，控制器之間通訊采用主從技術(shù)，即主機(jī)可對各從機(jī)尋址，發(fā)出廣播信息，從機(jī)返回信息作為對查詢的響應(yīng)[1]。該協(xié)議支持RS-232、RS-422、RS-485和Ethernet等多種接口類型的通訊設(shè)備。而本文研究的是基于RS-485接口，采用MODBUS RTU通信協(xié)議，組態(tài)王作為主端，智能儀表為從端，進(jìn)行相互握手、互相數(shù)據(jù)交換，并且利用KingView6.5開發(fā)平臺對通訊過程進(jìn)行實時監(jiān)測和管理，從而完成整個通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

1 MODBUS RTU數(shù)據(jù)傳輸

控制器以RTU模式在MODBUS總線上通訊時，具體信息格式定義如表1所示。

MAC_ID：設(shè)備地址，組態(tài)王對智能儀表從端的訪問地址，定義為01，如若是多機(jī)通訊，可以依次疊加02，03…；

Function ID：功能代碼，組態(tài)王對智能儀表從端的命令操作；

Ptr Addr：待查詢數(shù)據(jù)起始地址，2字節(jié)，首字節(jié)為高地址；

Ptr Numb：待查詢數(shù)據(jù)數(shù)量，2字節(jié)，從起始地址開始，地址依次加一；

CRC：循環(huán)冗余校驗碼，2字節(jié)，從MAC_ID至Ptr numb計算CRC值，如計算值與實際值相同則傳送正確；若不相同證明錯誤，丟棄該幀，重新檢測；

T1-T2-T3-T4：靜止時間，當(dāng)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時需延時>3.5個字符；

除主機(jī)查詢模式下的數(shù)據(jù)格式外，還有主機(jī)寫數(shù)據(jù)、從機(jī)應(yīng)答等數(shù)據(jù)格式，具體見MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這里不再重復(fù)敘述。

2 組態(tài)王通訊設(shè)置

基本通訊參數(shù)配置為：波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗，停止位1位，通訊方式RS485總線傳輸模式，通訊超時時間1000ms。

從站設(shè)備COM配置可按配置向?qū)б来芜M(jìn)行。選擇驅(qū)動——莫迪康MODBUS RTU(COM)，定義邏輯名稱——智能儀表01，選擇串行口——COM1，選擇設(shè)備地址——1.0（1為設(shè)備地址，不打包），嘗試恢復(fù)時間與最長恢復(fù)時間——30s和24h。如需配置多臺智能儀表，方法類似[2]。

配置完設(shè)備端口之后，則需要在數(shù)據(jù)詞典定義變量，如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸格式

表2 數(shù)據(jù)詞典用戶變量

3 智能儀表通訊設(shè)置

智能儀表作為從機(jī)端，硬件配置為485總線接口，軟件一般使用固化好的通信協(xié)議或自主開發(fā)編程設(shè)計，這里給出示例。以Stc89c52為例，利用串行中斷進(jìn)行MODBUS RTU通訊設(shè)計，其中T2計數(shù)器用于產(chǎn)生9600bps波特率，22M晶振下，初始值設(shè)置為TL2=0xCC，TH2=0xCD，中斷服務(wù)子程序如圖1所示。

圖1 發(fā)送接收串行中斷服務(wù)子程序

單片機(jī)應(yīng)答程序是主程序Main()函數(shù)中的，詳細(xì)流程圖如圖2所示。為滿足通訊需求，我們需要分析串口接收的命令，對不同的功能指令做出相應(yīng)的答復(fù)。首先，對接收命令中數(shù)據(jù)依次進(jìn)行校驗，包括地址碼校驗、功能碼校驗、CRC校驗、地址范圍校驗等，若出錯則給出相應(yīng)的出錯指令。其次，根據(jù)功能碼把與單片機(jī)相對應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)等一一寫入待發(fā)送數(shù)組中，具體發(fā)送格式依功能碼的不同而不同，詳細(xì)參考《MODBUS中文協(xié)議手冊》。最后，啟動發(fā)送函數(shù)BeginSend()，將發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送至發(fā)送接收緩存區(qū)[3]。

應(yīng)答流程圖中只給出了1、3、5、16四種功能碼指令，即足以滿足實現(xiàn)本文對組態(tài)王中離散變量和模擬變量讀寫操作要求，如需添加強(qiáng)制多個線圈、預(yù)置單個寄存器等功能指令，可進(jìn)行額外拓展，見圖中省略部分。

4 組態(tài)王與智能儀表的通訊實現(xiàn)

為滿足實時調(diào)試和監(jiān)控相關(guān)的參數(shù)與狀態(tài)，開發(fā)相應(yīng)的組態(tài)王通訊調(diào)試界面，如圖3所示。其中1號參變量設(shè)定為：DI1～DI8分別用兩組黃、綠、紅、藍(lán)的按鍵顯示輸入狀態(tài)10101100，當(dāng)為1時按鍵按下，當(dāng)為0時按鍵彈起；DO1～DO8分別用兩組黃、綠、紅、藍(lán)的LED燈表示輸出狀態(tài)01010011，當(dāng)為1時燈亮，當(dāng)為0時燈滅；AI1～AI8分別顯示輸入寄存器值11,22,33,444,555,666,7777,8888；AO1～AO8則分別表示預(yù)置寄存器值8888,7777, 666, 555,444,33,22,11。另外，2號參變量設(shè)置：DI1～DI8分別讀入00111000；DO1～DO8分別寫出11000111；AI1～AI8分別讀入6,216,56,7676,356,46,1986,66；AO1～AO8分別寫出66,1986,46,356,7676,56,216,6。

從通信結(jié)果來看，效果良好，能夠?qū)崟r穩(wěn)定地讀和寫數(shù)據(jù)。針對測試過程中遇到的問題，給出了解決方案，主要有以下兩點：1）寄存器數(shù)值超出上限0～65535。解決方案——設(shè)置智能儀表中變量初始值和原始值，并將實際數(shù)據(jù)縮小至一定倍數(shù)，然后在組態(tài)王中將相應(yīng)的參變量擴(kuò)大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)即可。2）多機(jī)通訊測試時，部分監(jiān)控參數(shù)錯亂變化且無規(guī)律。由于在組態(tài)王中設(shè)置的各從機(jī)通訊參數(shù)中“采集頻率”都是相同的，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)時出現(xiàn)了數(shù)據(jù)沖突，因此，設(shè)置不同的“采集頻率”能夠很好地解決以上問題。

5 結(jié)束語

在本文設(shè)計的組態(tài)王與智能儀表通信系統(tǒng)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU數(shù)據(jù)傳輸格式，詳細(xì)描述了通信參數(shù)配置，并給出了《組態(tài)王與單片機(jī)通信工程》平臺的調(diào)試方案與測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明該方法簡單有效、穩(wěn)定可靠。

圖2 單片機(jī)應(yīng)答流程圖

圖3 組態(tài)王與2臺單片機(jī)通信工程測試平臺

[1] MODBUS Application Protocol Specification V1.1b [k].MODBUS-IDA,2006.

[2] 北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王6.5使用手冊[Z].2010.

[3] 尤慧芳.MODBUS RTU單片機(jī)通信程序編寫方法[J].工業(yè)控制計算機(jī),2009,22(12):86-87.

[4] 胡雄峰,鄭應(yīng)霞.基于MODBUS-RTU通訊協(xié)議的組態(tài)王與TOP9500通訊[J].工業(yè)控制計算機(jī),2010,23(3):9-10.

[5] 劉杰,王慧.組態(tài)王與單片機(jī)多機(jī)串口通信的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2009,17(7):7-11.

[6] 呂國芳,唐海龍,李進(jìn).基于Modbus RTU的串口調(diào)試軟件的實現(xiàn)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2009,19(9):236-241.