基于Modbus協(xié)議的RS485總線通信在唰嘜機(jī)的設(shè)計(jì)

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州 450004〕

一、技術(shù)簡介

（一）Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信，這已經(jīng)形成了一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以方便各個(gè)廠家生產(chǎn)的控制設(shè)備連接在一起集中控制。Modbus協(xié)議我們采用比較先進(jìn)的Modbus TCP 模式，而Modbus TCP模式的硬件接口就是以太網(wǎng)（Ethernet）口，我們?cè)O(shè)計(jì)的刷嘜機(jī)就是使這一電腦上常用的網(wǎng)絡(luò)接口，使用方便、快捷、安全。

（二）RS485總線

RS485總線也是一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，具有雙向、平衡傳輸?shù)奶攸c(diǎn)并且支持多點(diǎn)連接，最多可創(chuàng)建32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；傳輸距離最長1 200 m左右，抗干擾能力強(qiáng)。在工業(yè)控制應(yīng)用中，RS485接口經(jīng)常采用組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般采用屏蔽雙絞的兩線制傳輸。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主、從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。RS485總線因其接口簡單，組網(wǎng)方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

二、刷嘜機(jī)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)功能需要，整體采用分布式主從控制結(jié)構(gòu)。主機(jī)系統(tǒng)以工控計(jì)算機(jī)為中心，主要完成和客戶人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)管理等非實(shí)時(shí)工作。從機(jī)系統(tǒng)由采用STM32芯片的刷嘜控制器、FPGA為核心的智能噴頭驅(qū)動(dòng)器、AVR單片機(jī)為核心的電子定位尺、噴頭監(jiān)控與恒溫管理器等多從機(jī)協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)硬件環(huán)境主要包括以下幾個(gè)模塊：上位機(jī)（工控機(jī)）、刷嘜控制模塊主站、多個(gè)從站。對(duì)于串行鏈路通訊的Modbus 系統(tǒng)，它的實(shí)際接口電路可以選擇采用RS232接口或RS485接口。在刷嘜系統(tǒng)中我們采用RS485 兩線制接口。本系統(tǒng)中的上位機(jī)采用工控機(jī)，其物理接口為網(wǎng)絡(luò)接口，完成和從機(jī)的主控制器通訊。系統(tǒng)的從機(jī)系統(tǒng)部分則采用RS485組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)框圖如下：

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（二）RS485總線結(jié)構(gòu)

棉包刷嘜系統(tǒng)整體采用PC工控機(jī)為主，刷嘜控制系統(tǒng)為從機(jī)系統(tǒng)。PC工控機(jī)為人機(jī)操作界面，各種操作指令可以通過工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，指令通過網(wǎng)絡(luò)傳送到刷嘜控制從機(jī)系統(tǒng)。而從機(jī)刷嘜控制系統(tǒng)又采用一個(gè)主機(jī)多個(gè)從機(jī)的通訊組網(wǎng)方式。采用刷嘜控制器為主機(jī)，定位控制、刷嘜控制、運(yùn)動(dòng)控制等為從機(jī)。在刷嘜控制系統(tǒng)中，刷嘜控制器為主機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)需要，對(duì)各個(gè)從機(jī)進(jìn)行輪詢，各個(gè)從機(jī)根據(jù)主機(jī)的命令，返回相應(yīng)的值。刷嘜控制器根據(jù)各個(gè)從機(jī)控制模塊返回值再通過RS485總線發(fā)出相應(yīng)的指令，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時(shí)把各個(gè)返回值及當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到PC工控機(jī)進(jìn)行顯示，以便更好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)際RS485通訊的總線結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 刷嘜機(jī)RS485總線結(jié)構(gòu)

RS485總線數(shù)據(jù)通訊速度較快，最高傳輸速率可以達(dá)到10 Mbps。但是由于它常常應(yīng)用于要和單片機(jī)的RS-232口通信，因而實(shí)際上并沒有那么高的通訊速度，與單片機(jī)通訊的網(wǎng)絡(luò)，速度最高為115.2 Kbps。實(shí)際應(yīng)用中考慮到速度太高會(huì)影響傳播距離，考慮一些抗干擾因素，實(shí)際應(yīng)用中速度還會(huì)更低。在本系統(tǒng)中，RS485的速度我們采用9 600 Kbps。

（三）電路設(shè)計(jì)

用于RS485總線通訊的專用芯片廠家很多，本設(shè)計(jì)采用美信公司生產(chǎn)的MAX485芯片。它是一種應(yīng)用于RS485/RS422的8引腳低功耗收發(fā)器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)最多能同時(shí)連接多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)。它采用+5 V單電源工作，額定電流為300 μA，由于MAX485有方向控制，因而只能采用半雙工通訊方式，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO引腳為MAX485接收器的輸出，與微控制器的接收腳（RXD）相連，DI引腳為MAX485驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與微控制器的接收腳（TXD）相連，DE和RE引腳控制數(shù)據(jù)傳送的方向。MAX485的邏輯圖及RS485總線連接圖如圖3。

RS485通訊在工業(yè)應(yīng)用中，使用環(huán)境中經(jīng)常會(huì)有大型的設(shè)備工作，用電環(huán)境比較復(fù)雜，大電壓、大電流的設(shè)備較多，其中的各種功率的電機(jī)、變頻器、繼電器等都會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，差分信號(hào)傳輸模式使RS485接口具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)干擾電壓超過一定的限定時(shí)，芯片也會(huì)無法工作，使得傳輸不再可靠，并有可能會(huì)燒毀芯片和相連儀器設(shè)備。為了確保通訊可靠，增強(qiáng)其抗干擾能力，在棉包自動(dòng)刷嘜控制系統(tǒng)中我們采用光耦、帶隔離的DCDC電源模塊、RS485芯片完成隔離設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)電路圖如圖4。

其中的485VCC1、485GND1為隔離DC-DC電源引腳，專為485芯片提供電源，而VCC、GND為微控制器提供電源。485RX1、485TX1為微控制器的接口信號(hào)引腳。

圖3 485芯片邏輯及總線設(shè)備連接方式

圖4 帶隔離的485通訊設(shè)計(jì)圖

（三）軟件設(shè)計(jì)

刷嘜控制系統(tǒng)通訊特點(diǎn)為：用RTU模式的Mod?bus協(xié)議。波特率采用9 600 bps，數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)的方式。字符傳送間隔采用少于1.5 個(gè)字符的時(shí)間間隔。RTU數(shù)據(jù)幀的最大幀長度是256 個(gè)字節(jié)。幀與幀之間的空閑時(shí)間采用命令碼設(shè)定的值與Modbus協(xié)議內(nèi)部約定值兩者之間較大的一個(gè)。Modbus協(xié)議約定的最小幀間空閑時(shí)間是數(shù)據(jù)幀頭通過數(shù)據(jù)總線的時(shí)間和數(shù)據(jù)幀尾通過數(shù)據(jù)總線空閑時(shí)間不小于3.5 個(gè)字節(jié)傳送時(shí)間來區(qū)分界定幀。通訊數(shù)據(jù)采用CRC16 校驗(yàn)來確保通訊準(zhǔn)確。

在棉包刷嘜從機(jī)系統(tǒng)通訊中，該從機(jī)系統(tǒng)又由一臺(tái)刷嘜控制器作為RS485通訊的主機(jī)和噴頭、定位、運(yùn)動(dòng)控制等多從機(jī)小模塊組成。從系統(tǒng)中的刷嘜控制器主機(jī)和幾個(gè)從機(jī)在通過MAX485和總線連接時(shí)，接線方式完全相同。從系統(tǒng)中的任何一個(gè)從機(jī)小模塊都可以設(shè)定為主機(jī)，而其他設(shè)為從機(jī)。RS485總線的使用權(quán)可根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)臨時(shí)設(shè)定。系統(tǒng)狀態(tài)分為三個(gè)：空閑、棉包進(jìn)入和棉包刷嘜三個(gè)，正常的工作過程就是這三個(gè)狀態(tài)處于循環(huán)中，自動(dòng)完成刷嘜工作。系統(tǒng)中不同的設(shè)備給編定不同的設(shè)備編號(hào)，在刷嘜系統(tǒng)開始工作時(shí)，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，刷嘜控制器作為主機(jī)的MAX485處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，所有其他從機(jī)的MAX485也處于接收狀態(tài)。如果從機(jī)接收到有了棉包信息的信號(hào)時(shí)，從機(jī)就會(huì)從接收數(shù)據(jù)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，發(fā)送當(dāng)前棉包來的信息。發(fā)送完后又處于接收數(shù)據(jù)的偵聽狀態(tài)。在處于要刷嘜的狀態(tài)時(shí)，刷嘜主機(jī)先處于接收狀態(tài)，通過總線讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)，刷嘜主機(jī)再向這個(gè)從機(jī)發(fā)出查詢信號(hào)，然后交出總線的使用權(quán)，處于接收狀態(tài)。而被查詢的從機(jī)開始允許使用總線，它的MAX485此時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，該從機(jī)開始向總線加載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加載完成后立即又處于偵聽狀態(tài)，交出總線使用權(quán)。

根據(jù)功能要求，軟件流程圖如圖5。

圖5 棉包刷嘜程序軟件主流程簡圖

三、結(jié)語

本文詳盡地介紹了基于Modbus協(xié)議的RS485 總線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就考慮增加防干擾措施，各個(gè)模塊電源隔離。實(shí)際安裝中又采用屏蔽、接地等防干擾方式，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該總線設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于棉花加工廠的棉包刷嘜機(jī)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了在粉塵大、溫差大、干擾強(qiáng)的環(huán)境下正常使用，其運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。