基于Modbus協(xié)議的串行通信的應(yīng)用

金海琴，陳 興，翟林鵬

（揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225127）

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機(jī)、GPRS模塊和三相多功能電量采集模塊3部分組成。

文中以揚(yáng)州市電網(wǎng)為例，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線采集，及儀表的集中管理與控制，詳細(xì)介紹基于C#開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Modbus通訊協(xié)議的方法，該程序可用于上位機(jī)經(jīng)過GPRS模塊與下位機(jī)（即三相多功能電量采集模塊）的串口通訊。測(cè)試時(shí)，將下位機(jī)三相多功能電量采集模塊通過RS485接口連接GPRS模塊，則可以把采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)，上位PC機(jī)通過虛擬串口接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、查詢和管理。

1 Modbus協(xié)議

1.1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控?？刂破魍ㄐ攀褂弥鳌獜募夹g(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢），其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。本文中的Modbus協(xié)議應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，物理層采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 RTU模式格式

Modbus通信協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用ASCII模式，消息以“：”字符開始，以回車換行符結(jié)束。而使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始，因此在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時(shí)間，這是很容易實(shí)現(xiàn)的（如圖1的T1—T2—T3—T4所示）。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0…9，A…F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓后才能發(fā)生一個(gè)新的消息。整個(gè)信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個(gè)字符的靜止時(shí)間時(shí)，則接收設(shè)備刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個(gè)地址數(shù)據(jù)。同樣一個(gè)信息后，立即發(fā)送的一個(gè)新信息（若無3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間）這將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。是因?yàn)楹喜⑿畔⒌腃RC校驗(yàn)碼無效而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。一個(gè)典型的消息幀如圖1所示。

圖1 RTU消息幀F(xiàn)ig.1 RTU message frame

2 CRC校驗(yàn)

2.1 CRC校驗(yàn)介紹

RTU方式時(shí)，采用CRC（即循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）方法計(jì)算錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，CRC校驗(yàn)傳送的全部數(shù)據(jù)。它忽略信息中單個(gè)字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)方法。

CRC碼為2個(gè)字節(jié)，16位的二進(jìn)制值。由發(fā)送設(shè)備計(jì)算CRC值，并把它附到信息中去。接收設(shè)備在接收信息過程中再次計(jì)算CRC值并與CRC的實(shí)際值進(jìn)行比較，若二者不一致，亦產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤，校驗(yàn)開始時(shí)，把16位寄存器的各位都置為“1”，然后把信息中的相鄰2個(gè)8位字節(jié)數(shù)據(jù)放到當(dāng)前寄存器中處理，只有每個(gè)字符的8位數(shù)據(jù)用于CRC處理。起始位，停止位和校驗(yàn)位不參與CRC計(jì)算。

2.2 C#實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)代碼

3 串行通信的實(shí)現(xiàn)

串口通信技術(shù)應(yīng)用廣泛，在數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來交換數(shù)據(jù)和信息。文中采用Visual Studio 2010提供的SerialPort控件實(shí)現(xiàn)串口通信。SerialPort控件和C#的其他控件一樣，都是通過對(duì)其一系列的方法、屬性、事件與用戶之間進(jìn)行交互。只要對(duì)SerialPort控件的屬性、方法、事件進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.1 串口屬性設(shè)置

3.2 打開串口及初始化

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

3.4 接收數(shù)據(jù)

3.5 串口通信界面

軟件界面設(shè)計(jì)滿足清晰、簡(jiǎn)潔的要求，使得操作簡(jiǎn)單、調(diào)理清晰，易于進(jìn)行測(cè)試操作。在程序運(yùn)行后，首先設(shè)置串口的參數(shù)，本系統(tǒng)串口參數(shù)設(shè)置為：

串口號(hào)：COM3；波特率：9 600 bps；數(shù)據(jù)位：8 位；停止位：1位；校驗(yàn)位：無校驗(yàn)位。

然后打開串口，設(shè)置設(shè)備地址、功能碼、起始地址、寄存器數(shù)量，進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送要查詢的數(shù)據(jù)命令，模塊就會(huì)作出相應(yīng)的回應(yīng)。如圖2所示，是發(fā)送查詢模塊類型寄存器，即3504（HEX）。

圖2 串口通信界面Fig.2 Serial communication interface

3.6 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

文中是以揚(yáng)州儀征市電網(wǎng)為例，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，以便于監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控，如圖3所示。文中采集了兩路電網(wǎng)的三相電壓、電流，有功功率，無功功率，功率因素5個(gè)參數(shù)。

4 結(jié) 論

圖3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面Fig.3 Real-time data display interface

文中采用C#編程語言和串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于RTU模式的Modbus數(shù)據(jù)通信，解決了電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)利用三相多功能電量采集模塊實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的智能化，以及GPRS模塊作為通訊介質(zhì)，大大節(jié)省了通訊成本。同時(shí)為工控領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可行性參考。

[1]吳曉艷.計(jì)算機(jī)串行通信接口及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2010（18）：83-86.

WU Xiao-yan，Computer serial communication interface and its application[J].Modern Electronic Technology，2010（18）：83-86.

[2]呂國芳，唐海龍，李進(jìn).基于Modbus RTU的串口調(diào)試軟件的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009（9）：236-238，241.