便攜式Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議分析儀研究與設(shè)計

王振力++林森++李冰

摘 要：基于Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議的自動化儀表在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用越來越多，包括PLC、變送器、變頻器、伺服驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集模塊、觸摸屏等，采用Modbus現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性降低，故障維護(hù)實(shí)現(xiàn)困難。便攜式Modbus協(xié)議分析儀為工程技術(shù)人員進(jìn)行Modbus現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計和故障診斷提供了有力支持，具有實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：Modbus現(xiàn)場總線 協(xié)議分析儀 便攜式

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0012-02

Abstract：Automatic instruments based on Modbus field bus communication protocol have been used more and more in industrial field， Including PLC， transmitter， frequency converter， servo driver， data acquisition module， touch screen and so on， The automation system using Modbus field bus is becoming more and more complex， the reliability of the system is reduced， and the maintenance of the fault is difficult. Portable Modbus fault diagnosis device provides strong support for engineering and technical personnel to design and diagnose Modbus fieldbus system， and has practical application value.

Key Words：Modbus Field Bus； Protocol Analyzer； Portable

1 研究背景

在信息化與工業(yè)化相結(jié)合的“兩化融合”背景下，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是工業(yè)自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線成為了工業(yè)自動化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要有Modbus、CAN、PROFIBUS、DeviceNet等，其中Modbus現(xiàn)場總線是早期用于Modicon品牌PLC通信應(yīng)用，由于具有靈活、簡單、開放、免費(fèi)等特點(diǎn)，Modbus現(xiàn)場總線得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

協(xié)議分析儀是一種監(jiān)視數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流，檢驗數(shù)據(jù)交換是否正確地按照協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行的專用測試工具，主要用于通信協(xié)議的開發(fā)、評價和分析。

便攜式Modbus協(xié)議分析儀為工程技術(shù)人員進(jìn)行Modbus現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計和故障診斷提供了有力支持，具有實(shí)際應(yīng)用價值。

2 Modbus協(xié)議分析儀硬件設(shè)計

Modbus協(xié)議分析儀以智能儀器產(chǎn)品開發(fā)為應(yīng)用背景，以單片機(jī)為核心設(shè)計通信接口和人機(jī)交互接口，硬件框圖如圖1所示。

本項目在充分研究Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用嵌入式技術(shù)完成便攜式Modbus協(xié)議分析儀設(shè)計，利用開放式通信接口實(shí)現(xiàn)Modbus現(xiàn)場總線物理層標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)Modbus現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議分析。硬件采用開關(guān)設(shè)定通信速率、站點(diǎn)地址、主從站、數(shù)據(jù)格式、有無應(yīng)答等功能，最終通信結(jié)果可以采用LCD顯示。由于Modbus現(xiàn)場總線物理層標(biāo)準(zhǔn)常采用RS-485和RS-232，所以本項目采用雙串口單片機(jī)STC12C5A60S2。

3 Modbus協(xié)議分析儀軟件設(shè)計

Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議的核心在于Modbus應(yīng)用層協(xié)議，本設(shè)計通過讀取Modbus請求或者應(yīng)答等數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，最終將分析結(jié)果在LCD上進(jìn)行顯示。軟件設(shè)計主要任務(wù)有串行通信、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)顯示等程序設(shè)計，程序流程圖如圖2所示。

3.1 串行通信程序設(shè)計

Modbus定義了兩種串行傳輸模式：RTU模式和ASCII模式，在Modbus串行鏈路上，所有設(shè)備的傳輸模式必須相同。串行通信程序設(shè)計主要包含單片機(jī)雙串口初始化程序，根據(jù)按鍵功能完成傳輸模式、站點(diǎn)地址、數(shù)據(jù)格式、通信速率和主從站工作模式等功能。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDA），特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加字段。Modbus PDU中的功能碼主要作用是告知將執(zhí)行哪種操作，功能碼后面是含有請求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。Modbus ADU中的附加地址用于告知站地址，差錯校驗碼是根據(jù)報文內(nèi)容執(zhí)行冗余校驗計算的結(jié)果。Modbus協(xié)議的通信時，首先主站準(zhǔn)備請求并向服務(wù)器發(fā)送請求，然后從站分析并處理客戶機(jī)的請求，最后向主站發(fā)送處理結(jié)果。本設(shè)計主要是讀取Modbus數(shù)據(jù)幀，對其中各段信息內(nèi)容進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)分析，最終將分析結(jié)果通過LCD和指示燈顯示實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析的功能。

4 結(jié)語

運(yùn)用便攜式Modbus協(xié)議分析儀可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)測試Modbus主站、Modbus從站或者聯(lián)合測試Modbus總線系統(tǒng)，能夠測試出Modbus設(shè)備或者系統(tǒng)在進(jìn)行現(xiàn)場總線通信時是否存在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層或者應(yīng)用層故障，尤其是應(yīng)用層Modbus數(shù)據(jù)幀進(jìn)行綜合分析，對Modbus現(xiàn)場總線產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試和故障診斷與維護(hù)等工作有很大幫助，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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