基于單片機對ModBusRTU協(xié)議的從設(shè)備進(jìn)行映射

黎欽銀，文 超

（1.壹倍科技（東莞）有限公司，廣東 東莞 523077；2.廣東力源工程技術(shù)有限公司，廣東 東莞 523077）

0 引 言

Modbus 通信協(xié)議是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域常用的通信協(xié)議，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的通信線路經(jīng)常會采用雙絞屏蔽線將設(shè)備的RS 485 接口并聯(lián)起來，并通過ModBusRTU 協(xié)議進(jìn)行主從設(shè)備間的通信[1-5]，如圖1所示。這種總線通信架構(gòu)具有敷設(shè)簡單、通信穩(wěn)定和通信距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點。在標(biāo)準(zhǔn)ModBusRTU協(xié)議的鏈路中，僅有一個主設(shè)備能采集多個從設(shè)備的數(shù)據(jù)，但是隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，經(jīng)常會出現(xiàn)多個主設(shè)備需要同時采集多個從設(shè)備的數(shù)據(jù)的情況[6-9]。針對這個問題，本文通過單片機的串口接入RS 485 總線，對主通信鏈路中從設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制、映射、轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)多個主設(shè)備同時采集一個從設(shè)備數(shù)據(jù)的目的。

圖1 RS 485 總線通信網(wǎng)絡(luò)

1 總體解決方案

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

選用的單片機至少應(yīng)帶有兩個硬件串口，為了描述方便，下面簡稱為串口1 和串口2。串口1 并入到主網(wǎng)絡(luò)中，該串口只對主網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集而不返回。串口2 作為從設(shè)備，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，提供給另一個主設(shè)備采集數(shù)據(jù)。從設(shè)備數(shù)據(jù)映射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 從設(shè)備數(shù)據(jù)映射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在原有RS 485 總線網(wǎng)絡(luò)中，主設(shè)備1 對從設(shè)備1 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，由于RS 485 總線的特性，總線上的所有設(shè)備都能收到主設(shè)備1 的請求幀和從設(shè)備1 的應(yīng)答幀，所以從設(shè)備1 的數(shù)據(jù)映射單片機的串口1，能監(jiān)聽RS 485 總線上從設(shè)備1 的應(yīng)答幀。單片機將應(yīng)答幀信息分析處理后保存到單片機中，并由單片機的串口2 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，接入新增的RS 485 總線，供其他主設(shè)備采集。

1.2 主要算法

單片機利用串口1 識別出需要的數(shù)據(jù)，使用串口2 提供標(biāo)準(zhǔn)的ModBusRTU Server 功能。對于串口2 的功能，比較常規(guī)，具體參考ModBusRTU 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行編程即可實現(xiàn)。因此重點是串口1 如何準(zhǔn)確識別出原有RS 485 總線中從設(shè)備的數(shù)據(jù)，再通過串口2 映射及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。單片機運行主流程如圖3所示。

圖3 單片機運行主流程

為了準(zhǔn)確識別數(shù)據(jù)，單片機需要利用ModBusRTU 協(xié)議中數(shù)據(jù)幀的特征值對串口1 收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行甄別。數(shù)據(jù)幀的特征值有：設(shè)備的ModBus 地址、數(shù)據(jù)的ModBus 功能區(qū)、數(shù)據(jù)的寄存器地址、數(shù)據(jù)的類型（整型、浮點型等）。通過這些特征值，就能判斷從原有RS 485 總線接收的數(shù)據(jù)是否為主設(shè)備2 需要的正確數(shù)據(jù)。如圖4所示為ModBusRTU 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式[10]。

圖4 ModBusRTU 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式

因為RS 485 總線采用半雙工工作方式，所以單片機的串口1 采集到的數(shù)據(jù)幀有可能是主機的請求幀，也有可能是從設(shè)備的應(yīng)答幀。如何判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀是請求幀還是應(yīng)答幀，可以先假設(shè)一種情況：串口1 收到一個數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)為“01 01 18 00 00 01 FB 6A”。對于該數(shù)據(jù)幀，會存在表1和表2中所列兩種情況。

表1 主站請求幀的情況

表2 從站應(yīng)答幀的情況

從表1和表2可以看到，單純靠一個數(shù)據(jù)幀是無法辨別該數(shù)據(jù)幀是請求幀還是應(yīng)答幀的。通過ModBusRTU 協(xié)議的通信過程可以知道，總是主機先發(fā)出請求幀，然后從機再發(fā)出應(yīng)答幀，而請求幀和應(yīng)答幀有對應(yīng)關(guān)系，比如設(shè)備地址碼相同、功能碼相同、請求的寄存器數(shù)量和應(yīng)答的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量吻合等，所以單片機需要緩存兩個數(shù)據(jù)幀，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)幀處理

單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)幀處理采用了線性隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，新數(shù)據(jù)幀入列，內(nèi)部緩存的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行移動，舊的數(shù)據(jù)幀出列并丟棄。從單片機的視角而言，數(shù)據(jù)幀緩存2 存放的是主機的請求幀，數(shù)據(jù)幀緩存1 存放的是從機的應(yīng)答幀，請求幀和應(yīng)答幀需要滿足相同的設(shè)備地址碼、相同的功能碼、請求幀寄存器數(shù)量和應(yīng)答幀數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量能對應(yīng)上、請求幀和應(yīng)答幀的CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗碼都能校驗通過等條件，就可以認(rèn)為該請求幀和應(yīng)答幀是有效的。得到有效的請求幀和應(yīng)答幀后，再根據(jù)用戶設(shè)定的需求數(shù)據(jù)的特征值進(jìn)一步判斷該數(shù)據(jù)幀是否有需求的數(shù)據(jù)，程序判斷流程如圖6所示。

圖6 用戶需求數(shù)據(jù)特征判斷流程

2 優(yōu)勢和存在問題分析

利用單片機的串口1 接入原有RS 485 總線中監(jiān)聽數(shù)據(jù)幀，獲取從設(shè)備的數(shù)據(jù)，顯著優(yōu)勢是對原來的總線網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)沒有影響。在實際應(yīng)用中，該設(shè)計方案可以在不動原有系統(tǒng)的前提下搭建新的系統(tǒng)。同時對該設(shè)計方案靈活運用可以衍生出多種架構(gòu)，如除圖2的總線方式連接外，還可以按圖7的總線方式連接，對從設(shè)備1 進(jìn)行了兩次復(fù)制、映射和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)多主設(shè)備采集同一從設(shè)備，并且各個系統(tǒng)可以做到相互獨立、互不相關(guān)。

圖7 多主設(shè)備采集同一從設(shè)備

當(dāng)然該方法也存在不足，比如主設(shè)備1 不發(fā)送請求幀，單片機的串口1 將不會有數(shù)據(jù)幀，從而導(dǎo)致從設(shè)備的數(shù)據(jù)不能轉(zhuǎn)發(fā)給其他主設(shè)備。另外，單片機的串口1 獲取從設(shè)備的數(shù)據(jù)幀數(shù)跟主設(shè)備1 請求數(shù)據(jù)頻率有關(guān)，如果主設(shè)備1 請求頻率慢，那么單片機更新從設(shè)備的數(shù)據(jù)就慢。因此對數(shù)據(jù)的實時性要求比較高的場合，不適合采用該方法。

3 結(jié) 語

利用單片機的一個串口接入原有RS 485 總線，用于接收數(shù)據(jù)幀，然后對所需從設(shè)備的應(yīng)答幀進(jìn)行分析、處理并映射到單片機的內(nèi)存中，最后通過單片機的另外一個串口，采用ModBusRTU 協(xié)議把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出來，供其他主設(shè)備讀取。該設(shè)計拓展性好、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、性價比高。對于從設(shè)備的RS 485 通信接口被占的情況，可參考該設(shè)計方案。