基于Modbus協(xié)議的S7-200 PLC語音播報(bào)功能擴(kuò)展

鄒益民，庹超超，査浩毅，李金葵（金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇南京，210031）

基于Modbus協(xié)議的S7-200 PLC語音播報(bào)功能擴(kuò)展

鄒益民，庹超超，査浩毅，李金葵
（金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇南京，210031）

介紹一種基于Modbus協(xié)議的S7-200 PLC擴(kuò)展系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)和科大訊飛TTS語音模塊為PLC提供語音播報(bào)功能。本文對Modbus協(xié)議，S7-200的Modbus-RTU通訊指令及單片機(jī)語音播報(bào)系統(tǒng)的控制方式等進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹， 并開發(fā)了一種基于S7- 200PLC實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的語音播報(bào)系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，可供同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供借鑒。

Modbus協(xié)議；PLC；語音播報(bào)；單片機(jī)；TTS；語音合成模塊

0　引言

PLC可編程控制器由于功能強(qiáng)、性價比高、可靠性高、擴(kuò)展靈活、環(huán)境適合能力強(qiáng)及安裝維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)而在自動控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)使用PLC構(gòu)建控制系統(tǒng)仍然存在某些不足：PLC的數(shù)據(jù)處理和管理能力較弱，也不能給用戶提供良好的人機(jī)交互界面。故在某些特定應(yīng)用場合，若能將PLC與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成功能靈活的擴(kuò)展模塊，可大大豐富PLC的應(yīng)用功能。ModBus協(xié)議是一種可靠而有效的工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議，由美國莫迪康公司開發(fā)，現(xiàn)已被眾多的硬件廠商所支持并廣泛應(yīng)用，通過ModBus協(xié)議可以方便地完成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

本文以應(yīng)用廣泛的SIEMENS公司S7-200PLC為例，介紹一種以ModBus協(xié)議為紐帶，利用單片機(jī)及TTS模塊擴(kuò)展PLC的語音播報(bào)功能，從而為S7-200 PLC用戶提供一個語音播放平臺的應(yīng)用實(shí)例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是：采用單片機(jī)及TTS構(gòu)成語音播放單元，而S7-200 PLC則通過Modbus通信方式控制該模塊以實(shí)現(xiàn)即時的語音播報(bào)功能。由于ModBus支持多機(jī)網(wǎng)絡(luò)，故若本系統(tǒng)應(yīng)用于ModBus組網(wǎng)模式時，多個位于不同地理位置的PLC與語音模塊可相互選擇。一個PLC可控制多個語音模塊；同理，一個語音模塊也可為多個PLC服務(wù)，從而形成一個語音播報(bào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1　ModBus協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，以主從方式工作，主從設(shè)備間的通信以請求/應(yīng)答模式進(jìn)行。主設(shè)備使用請求消息中的功能代碼通知從設(shè)備要執(zhí)行何種功能，而請求信息中的數(shù)據(jù)段則給出了所需功能的附加消息。從設(shè)備則只允許產(chǎn)生應(yīng)答消息，以回應(yīng)主設(shè)備指定的功能信息。由于請求、應(yīng)答消息中均含有必要的錯誤檢測域，從而使Modbus協(xié)議具有極強(qiáng)的差錯檢測能力。Modbus串行協(xié)議支持ASCII和RTU兩種信息傳輸模式（另一種Modbus TCP基于TCP/IP協(xié)議），在相同的數(shù)據(jù)傳輸波特率下，RTU模式比ASCII模式具有更高的傳輸效率，但也導(dǎo)致其通訊處理過程相對復(fù)雜。本系統(tǒng)選用傳輸效率較高的Modbus RTU作為傳輸模式。

Modbus-RTU 模式消息幀由起始定界、地址字段、功能字段、數(shù)據(jù)字段、CRC校驗(yàn)字段及結(jié)束定界組成。其地址字段表示指定的從站地址；代碼字段則表示從站應(yīng)執(zhí)行的具體功能；數(shù)據(jù)字段表示代碼字段的附加信息；CRC校驗(yàn)則用來檢測通訊報(bào)文有無錯誤。值得注意的是，在Modbus RTU消息幀傳輸時，協(xié)議規(guī)定在消息幀結(jié)束前每字節(jié)間不應(yīng)有超過1.5個字符時間的“字符間隙”，而發(fā)送新消息幀則需與舊幀間隔3.5個字符時間“幀間隙”以上，否則將判斷為傳輸出錯。

2　S7-200 系列 PLC 的通信指令

S7-200系列PLC的ModBus通信方式僅支持ModBus-RTU模式下的01~06以及15和16功能碼。其主站及從站通信指令各不相同，分述如下：

2.1S7-200 系列 PLC 的主站通信指令

S7-200的主站指令庫支持端口0～1，可用的通訊指令包括：

● MBUS_CTRL指令格式

用于組態(tài) PLC為ModBus-RTU主站，用戶還可定義通訊波特率、奇偶校驗(yàn)及主站等待從站響應(yīng)的超時值，指令還提供完成標(biāo)志及錯誤代碼輸出。詳細(xì)格式如下：

● MBUS_MSG指令格式

用于讀寫從機(jī)數(shù)據(jù)。用戶可指定從設(shè)備地址、數(shù)據(jù)讀/寫方向、從站寄存器地址、待讀寫的從站數(shù)據(jù)元素（位或字）數(shù)目及主PLC存放相關(guān)數(shù)據(jù)的V存儲區(qū)首地址，指令還提供完成標(biāo)志及錯誤代碼輸出。詳細(xì)格式如下：

2.2S7-200 系列 PLC 的從站通信指令

S7-200的從站指令庫僅支持端口0，可用的通訊指令包括：

● MBUS_INIT：

組態(tài) PLC為ModBus-RTU從站模式，用戶還可定義從站地址、通訊波特率、奇偶校驗(yàn)、延時時間、最大開關(guān)輸入輸出點(diǎn)數(shù)、最大模擬量輸入點(diǎn)數(shù)、最大保持寄存器字?jǐn)?shù)量、保持寄存器區(qū)起始地址等；指令還提供完成標(biāo)志及錯誤代碼輸出。詳細(xì)格式如下：

● MBUS_SLAVE：

用于服務(wù)來自ModBus主站的請求，必須在每個循環(huán)周期都執(zhí)行，以便檢查和響應(yīng)ModBus主站的請求，指令還提供完成標(biāo)志及錯誤代碼輸出。詳細(xì)格式如下：

3　單片機(jī)語音播報(bào)系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1　. PLC語音播報(bào)系統(tǒng)總體框圖

圖2　. 單片機(jī)語音模塊硬件設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，S7-200 PLC與單片機(jī)語音播報(bào)系統(tǒng)通過RS485連接。單片機(jī)語音系統(tǒng)的硬件電路則主要包括單片機(jī)、語音合成模塊、LCD顯示模塊，按鍵模塊、RS485電平變換模塊、電源模塊等。

單片機(jī)語音系統(tǒng)的硬件部分電路設(shè)計(jì)可參見圖2，由AT89C51，XF-S4240語音模塊，音頻放大器，喇叭等組成。單片機(jī)利用軟件仿真SPI接口控制XF-S4240實(shí)施語音合成，隨后由LM386完成音頻放大后推動喇叭發(fā)音。本設(shè)計(jì)中另使用一片點(diǎn)陣式LCD作為系統(tǒng)的顯示輸出，配合4x4 薄膜鍵盤，為系統(tǒng)提供簡易的人機(jī)交互接口，并可在必要時作為PLC的一種輔助人機(jī)接口使用。

3.2單片機(jī)MODBUS-RTU通信功能實(shí)現(xiàn)

由于AT89C51單片機(jī)與PLCModbus串口分別采用標(biāo)準(zhǔn)TTL信號及RS-485信號電平，故系統(tǒng)中使用了一片MAX485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于RS-485采用半雙工模式，故單片機(jī)還需另行分配一個IO引腳

P1.0以控制MAX485的傳輸方向，從而避免因多個串行接口同時進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)而導(dǎo)致通訊出錯。

數(shù)據(jù)報(bào)文的正確定界及編解碼是單片機(jī)Modbus通訊協(xié)議開發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)。前者可借助單片機(jī)定時中斷以便對Modbus RTU協(xié)議規(guī)定的字符間隙及幀間隙進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；后者則又包括報(bào)文接收/CRC校驗(yàn)/報(bào)文解析以及報(bào)文裝配/附加CRC校驗(yàn)/報(bào)文發(fā)送等過程，報(bào)文的串口收發(fā)采用中斷方式以滿足實(shí)時性需要。相關(guān)的設(shè)計(jì)簡述如下：

由于單片機(jī)主頻為11.0592MHz，本系統(tǒng)Modbus串行接口的波特率設(shè)計(jì)為9600bps，則可將定時器0設(shè)置為每1/9600bps≈104μs產(chǎn)生一次中斷，恰與通訊的位速率一致。由于每字符信息包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位及1個停止位共計(jì)10位，故可分別用閾值15及35對Modbus協(xié)議中字符間1.5字符間隙及數(shù)據(jù)流間3.5字符間隙進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

在定時中斷服務(wù)程序中，以位速率累計(jì)串口收到數(shù)據(jù)的時間間隔值，該值在每次接收到新的信息時清零，這樣該值實(shí)際代表了相鄰接收字符之間的時間間隙，由此即可對字符間隙及幀間隙作出準(zhǔn)確判斷。

使用串口中斷用以實(shí)現(xiàn)Modbus串行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作。若發(fā)送中斷有效且末發(fā)送完畢，則發(fā)送下一字符信息；若接收中斷有效，則首先判斷是否與上一字符間隙超過3.5字符，若是則代表上一幀信息接收完畢，可進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)解碼操作；若發(fā)現(xiàn)與上一字符間隙為1.5～3.5字符，則按Modbus協(xié)議表明出錯，應(yīng)丟棄已接收的信息，此時可將接收指針清零；若與上一字符間隙小于1.5字符，則判斷為正常連續(xù)字符，可正常接收本幀的后續(xù)字符。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以S7-200 PLC為Modbus通訊主站，以方便PLC控制語音模塊。故單片機(jī)還須根據(jù)Modbus協(xié)議完成對PLC數(shù)據(jù)請求包的接收、解析及響應(yīng)包的裝配、發(fā)送等功能。

3.3PLC ModBus-RTU通信協(xié)議設(shè)計(jì)

PLC與單片機(jī)語音模塊的通信協(xié)議采用ModBus-RTU協(xié)議。S7-200 PLC工作在主站模式下，使用MBUS_CTRL及MBUS_MSG指令通過V存儲區(qū)向單片機(jī)發(fā)送語音文本信息或查詢單片機(jī)的狀態(tài)信息，單片機(jī)在接收到合法的信息幀后將給出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)信息。為擴(kuò)展方便，協(xié)議支持多個PLC通過RS485連網(wǎng)方式向一個或多個單片機(jī)模塊發(fā)送語音播報(bào)命令。

3.4語音播報(bào)功能實(shí)現(xiàn)

語音合成技術(shù)（TTS）被用于將文字信息轉(zhuǎn)化為語音信息，以使人們獲取信息的方式更加豐富和自然。本系統(tǒng)中選用科大訊飛的XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊。該模塊支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE四種內(nèi)碼格式的中文文本，同時提供英文字母的合成。

語音合成程序的運(yùn)行步驟是：單片機(jī)首先判別語音合成模塊是否處于就緒狀態(tài)，若是，則依次發(fā)送幀頭、字節(jié)總數(shù)、語音合成命令碼、語音合成格式控制碼及待合成文本，語音模塊將隨后依所設(shè)命令完成TTS轉(zhuǎn)換及語音播報(bào)。

3.5單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

程序首先對單片機(jī)各IO端口、定時器、串行口、中斷系統(tǒng)等外部設(shè)備進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入工作循環(huán)。等待PLC通過ModBus協(xié)議發(fā)送的播報(bào)信息及控制命令，返回應(yīng)答信號，并將相關(guān)信息送TTS模塊以語音方式播報(bào)；之后讀取用戶按鍵信息，完成相關(guān)功能操作，最后根據(jù)需要刷新LCD顯示。

4　結(jié)語

PLC在工業(yè)控制應(yīng)用廣泛，但其人機(jī)接口及數(shù)據(jù)運(yùn)算功能仍然相對薄弱，若配以功能靈活的單片機(jī)系統(tǒng)，采用ModBus-RTU協(xié)議進(jìn)行相互通訊，則可方便地為PLC擴(kuò)展各種增強(qiáng)功能。本系統(tǒng)利用上述技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與S7-200PLC之間的ModBus通信，并為PLC擴(kuò)展了語音實(shí)時播報(bào)功能，該系統(tǒng)已被應(yīng)用于本校實(shí)訓(xùn)室小型PLC控制實(shí)驗(yàn)裝置之中。通過PLC功能擴(kuò)展一方面開拓了學(xué)生的知識面，另一方面為學(xué)生提供學(xué)習(xí)與操作的提示信息，有助于學(xué)生對PLC控制系統(tǒng)、單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)及ModBus協(xié)議的學(xué)習(xí)與認(rèn)識。應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可靠性高、成本低，可獲得較好的應(yīng)用效果。由于多數(shù)主流PLC支持ModBus通訊，故本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路也可為其它PLC的功能擴(kuò)展提供借鑒。

［1］ 張潔，馬鳳銘，徐穎. 基于MODBUS協(xié)議的單片機(jī)與S7-200PLC串行通信的實(shí)現(xiàn)［J］. 鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，（4）.

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鄒益民，（1963年出生），男，2006年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動控制系，獲得博士學(xué)位，教授；主要研究方向：控制理論與工程，導(dǎo)航與制導(dǎo)，圖像處理，模式識別。

Extend S7-200 PLC Voice Broadcast Feature Based on Modbus Protocol

Zou Yimin，Tuo Chaochao，Zha Haoyi，Li Jinkui
（College of network and communication engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 210031）

Introduce of a S7-200 PLC expansion system based on Modbus protocol，which could be used to extend PLC’s voice broadcast feature using SCM and IFLYTEK TTS module.In this paper，detailed descriptions about the Modbus protocol and the S7-200 communication instruction for Modbus-RTU，and also the control method of SCM voice broadcast system were presented. A voice broadcast system based on S7-200PLC actual application was developed. This paper also described the detailed system’s schemes and could provide reference for the design and application of similar system.

Modbus protocol；PLC；Speech broadcast；SCM（Single Chip Microprocessor）；Text To Speech；Speech synthesis module

TP23 TP274

A