基于RS-485總線的MODBUS 通信協(xié)議在單片機(jī)上的實現(xiàn)

馬亞玲

（云南省玉溪技師學(xué)院 玉溪工業(yè)財貿(mào)學(xué)校，云南 玉溪 653100）

0 引 言

倉庫進(jìn)行智能化改造時，要求可以在值班室顯示倉庫當(dāng)前溫濕度參數(shù)，并能夠在值班室對倉庫現(xiàn)場的除濕和通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。由于產(chǎn)品成本控制非常嚴(yán)格，所以在值班室計算機(jī)上安裝組態(tài)軟件作為上位機(jī)，倉儲現(xiàn)場采用單片機(jī)控制裝置與除濕通風(fēng)設(shè)備相連，并將溫濕度傳感器參數(shù)接入到單片機(jī)中，上位機(jī)和單片機(jī)采用串行通信進(jìn)行信息的交換。需要搭建通信網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行上位機(jī)和單片機(jī)之間通信程序的開發(fā)。本文主要介紹上位機(jī)和單片機(jī)之間通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議的選擇，重點論述單片機(jī)和上位機(jī)之間串行通信通信程序的開發(fā)實現(xiàn)。

1 通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議的選擇

隨著工業(yè)現(xiàn)代化及信息化的迅猛發(fā)展，單片機(jī)控制已經(jīng)從傳統(tǒng)的本地控制向遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)展，設(shè)備信息的采集和顯示也由本地處理、分散顯示向遠(yuǎn)程采集、集中顯示發(fā)展。單片機(jī)控制功能的改變對其應(yīng)用開發(fā)提出了新的要求。單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用人員需要掌握與單片機(jī)相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。

但在目前的單片機(jī)應(yīng)用中，主要還是以本地數(shù)字量的采集和控制為主，很少涉及通信，即便是涉及通信部分，也只是采用RS-232串行接口，利用單片機(jī)自帶的UART進(jìn)行短距離的簡單數(shù)據(jù)收發(fā)控制，也不涉及通信的協(xié)議規(guī)范。但是在工業(yè)控制中，基于RS-485總線的設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、模塊化應(yīng)用需求日益明顯。相較于RS-232，RS-485在信號傳輸距離、傳輸速率、抗干擾性及支持多點通信等方面具有很強的優(yōu)勢，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場通信的要求，因此在通信網(wǎng)絡(luò)搭建采用RS-485總線形式相連接。

確定通信網(wǎng)絡(luò)后，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴崟r性以及協(xié)議的通用性，經(jīng)過對比研究，選擇MODBUS通信協(xié)議。MODBUS有兩種串行傳輸模式，包括RTU、ASCII[1]。兩種傳輸方式不同之處在于數(shù)據(jù)命令的編碼、解碼方式不同，多數(shù)支持MODBUS協(xié)議的設(shè)備都支持RTU模式，并且RTU模式在單片機(jī)上實現(xiàn)相對簡單，因此采用MODBUS RTU進(jìn)行通信程序的開發(fā)。

2 MODBUS RTU協(xié)議規(guī)則

采用MODBUS通信協(xié)議的設(shè)備連接在一起就構(gòu)成了通信網(wǎng)絡(luò)，以RS-485方式為例進(jìn)行連接。一個通信網(wǎng)絡(luò)中只有一個設(shè)備可以作為主機(jī)，其余設(shè)備均為從機(jī)，每一個從機(jī)都會分配一個地址，從機(jī)地址的范圍為1～247。MODBUS通信協(xié)議中，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和指令中包含指定的從機(jī)地址，通信網(wǎng)絡(luò)中的每個從機(jī)都會收到數(shù)據(jù)和指令，從機(jī)判斷協(xié)議命令中的地址和本機(jī)地址不一致時，就不會進(jìn)行處理，只有讀取到協(xié)議命令中的地址和本機(jī)地址一致時，才進(jìn)行數(shù)據(jù)命令的解析處理。MODBUS RTU方式主機(jī)發(fā)送時的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

當(dāng)從機(jī)收到主機(jī)的指令時，根據(jù)主機(jī)的功能代碼的命令要求，執(zhí)行從寄存器讀取數(shù)值或者寫入數(shù)值到寄存器中，并在執(zhí)行指令后向主機(jī)發(fā)送返回數(shù)據(jù)，響應(yīng)主機(jī)操作。功能碼是在標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU協(xié)議中已經(jīng)定義了常用指令代碼的功能，在單片機(jī)通信應(yīng)用中常用功能碼及功能如表2所示。

表1 MODBUS通信數(shù)據(jù)格式

表2 常用MODBUS功能碼及功能

3 基于單片機(jī)的MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)

3.1 MODBUS協(xié)議處理函數(shù)流程圖

MODBUS協(xié)議是主/從通信協(xié)議，以單片機(jī)作為從機(jī)，編寫接收主機(jī)命令，執(zhí)行命令，并發(fā)送響應(yīng)指令給主機(jī)的通信程序。MODBUS協(xié)議處理函數(shù)的流程如圖1所示。單片機(jī)循環(huán)掃描時間到時，判斷是否接收到主機(jī)數(shù)據(jù)命令，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)命令時，首先解析地址是否為本機(jī)地址，然后判斷CRC校驗是否正確，對CRC校驗后正確的數(shù)據(jù)命令，按照功能碼指令以及數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在處理后返回給主機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對于不是本機(jī)地址，或者是本機(jī)地址但是CRC校驗不正確的數(shù)據(jù)，不進(jìn)行處理[2]。

圖1 MODBUS協(xié)議處理函數(shù)流程圖

3.2 01功能碼的功能實現(xiàn)

01功能碼是主機(jī)讀取單片機(jī)一個數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)的指令。當(dāng)從機(jī)接收到01功能碼指令時，首先解析要獲取的數(shù)據(jù)位的地址，然后讀取該地址中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過響應(yīng)指令發(fā)送給上位機(jī)，即可實現(xiàn)01功能碼讀取一位數(shù)據(jù)的功能。01功能碼實現(xiàn)流程如圖2所示。

3.3 05功能碼的功能實現(xiàn)

05功能碼是主機(jī)向單片機(jī)的一個數(shù)據(jù)位地址寫入數(shù)據(jù)的指令。當(dāng)從機(jī)接收到05功能碼指令時，首先解析要寫入數(shù)據(jù)位的目標(biāo)地址，然后將指令中的數(shù)據(jù)寫入到目標(biāo)地址，最后向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)，即可實現(xiàn)05功能碼寫入一位數(shù)據(jù)的功能。

圖2 01功能碼實現(xiàn)流程圖

4 51單片機(jī)利用MODBUS協(xié)議實現(xiàn)對設(shè)備的控制

單片機(jī)控制裝置的通信網(wǎng)絡(luò)采用RS-485總線形式相連接。將計算機(jī)作為通信的主機(jī)、單片機(jī)作為通信的從機(jī)，通過在51單片機(jī)中運行MODBUS通信協(xié)議，實現(xiàn)在上位機(jī)對設(shè)備的控制。

4.1 單片機(jī)MODBUS協(xié)議控制設(shè)備處理函數(shù)

在單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲空間中定義數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送緩沖區(qū)，單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)首先送入發(fā)送緩沖區(qū)中，接收的數(shù)據(jù)放入到接收緩沖區(qū)中。對于單片機(jī)和主機(jī)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是一個公用的區(qū)域。本文定義兩個緩沖區(qū)：

unsigned char TxBuff[20];//數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)

unsigned char RxBuff[20];//數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)

定義單片機(jī)中LED的地址為0，當(dāng)?shù)刂分袛?shù)據(jù)為0時，設(shè)備打開，非0時，設(shè)備關(guān)閉。當(dāng)單片機(jī)接收到主機(jī)打開和關(guān)閉設(shè)備的指令時，處理函數(shù)如下：

CRC=CRC16MODBUS(RxBuff，6);//CRC校驗

CRCH =CRC>>8; //獲取CRC校驗高位

CRCL =CRC&0xff; //獲取CRC校驗低位

if(RxBuff[6]==CRCH&&RxBuff[7]==CRCL)//判斷CRC校驗是否正確

{

if(RxBuff[0]==Add)//判斷地址是否是本機(jī)地址

{

if(RxBuff[0]==0x05)//判斷是否是05功能碼

{

Regadd=RxBuff[2]*256+RxBuff[3];//獲取寄存器地址

if(Regadd==0)

{

if(RxBuff[4]==0x00) //判斷打開還是關(guān)閉

LED=0; //打開設(shè)備

else

LED=1; //關(guān)閉設(shè)備

TxBuff[0]=RxBuff[0]; //設(shè)備地址

TxBuff[1]=RxBuff[1]; //功能碼

TxBuff[2]=RxBuff[2]; //地址高位

TxBuff[3]=RxBuff[3]; //地址低位

TxBuff[4]=RxBuff[4]; //數(shù)據(jù)位

TxBuff[5]=RxBuff[5]; //數(shù)據(jù)位

CRC=CRC16MODBUS(TxBuff，6);//CRC 校驗

TxBuff[6]=CRC>>8; //CRC校驗高位

TxBuff[7]=CRC&0XFF; //CRC校驗低位

TxDell();//向主機(jī)發(fā)送響數(shù)據(jù)

}

}

}

}

4.2 上位機(jī)發(fā)送指令實現(xiàn)對設(shè)備的控制和信息的采集

上位機(jī)發(fā)送協(xié)議指令：0105 00 00 00 00 CD CA，單片收到指令打開設(shè)備，并返回響應(yīng)指令。上位機(jī)發(fā)送協(xié)議指令：0105 00 00 FF 00 8C 3A，單片收到指令關(guān)閉設(shè)備，并返回響應(yīng)指令。對于現(xiàn)場溫濕度信息的采集，主機(jī)采用03功能碼數(shù)據(jù)指令進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集，單片機(jī)執(zhí)行指令將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行顯示。

5 結(jié) 論

本文通過在單片機(jī)上運行MODBUS從機(jī)通信協(xié)議程序，以計算機(jī)作為上位機(jī)，通過上位機(jī)發(fā)送指令對單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場信息的采集。經(jīng)過產(chǎn)品開發(fā)研究，驗證了基于RS-485通信網(wǎng)絡(luò)和MODBUS通信協(xié)議實現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)通信的可行性，達(dá)到了預(yù)期的效果。