基于MODBUS—RTU協(xié)議通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翟志華 李夢宇

摘 要：基于互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略的實(shí)施，構(gòu)建智能化電網(wǎng)需要構(gòu)建統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議已經(jīng)不能滿足當(dāng)前城市智能化發(fā)展的要求，而發(fā)展太網(wǎng)則成為發(fā)展的必然手段，因此基于MODBUS-RTU協(xié)議通信軟件的設(shè)計(jì)是解決上述問題的根本原因。因此本文闡述基于MODBUS-RTU協(xié)議通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：MODBUS-RTU；集中監(jiān)控；以太網(wǎng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略以及構(gòu)建智慧城市的要求，MODBUS協(xié)議被廣泛的應(yīng)用，這主要是因?yàn)镸ODBUS具有免費(fèi)、開放、簡單的特點(diǎn)，因此其被越來越多智能通訊設(shè)備所使用。MODBUS協(xié)議最早是由美國的Modicon公司推出的，隨后在1998年施耐德公司推出的MODBUS TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的出現(xiàn)更好地滿足了市場和用戶的需求，并且其在工業(yè)自動(dòng)化中得到應(yīng)用。MODBUS協(xié)議之所以被廣泛的應(yīng)用主要是因?yàn)椋阂皇荕ODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，開放性比較強(qiáng)；二是可以支持多種設(shè)備接口，而且還可以在多種介質(zhì)上進(jìn)行傳送；三是該協(xié)議最簡單、最緊湊，而且其很容易被人接受?？傮w來說MODBUS協(xié)議就是實(shí)現(xiàn)了通信參與者的從屬關(guān)系，將主站向從站進(jìn)行通信請求，從站在接到主站的請求之后，按照相應(yīng)的要求進(jìn)行連接，因?yàn)閺恼揪哂?47個(gè)地址編碼，因此其可以接收多個(gè)主站的通信請求，實(shí)現(xiàn)了通信信息轉(zhuǎn)化的高速、簡單以及可靠等要求。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)，并且描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，比如在客戶機(jī)發(fā)出請求之后，服務(wù)器需要接收客戶機(jī)的請求，并且做出相應(yīng)的處理分析，將處理結(jié)果向客戶機(jī)反饋，客戶機(jī)接到反饋之后就會(huì)做出相應(yīng)的策略準(zhǔn)備。

1 MODBUS協(xié)議中的兩種傳輸方式及幀格式

1.1 ASCII和RTU兩種傳輸方式

通過實(shí)踐，標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議主要有兩種傳輸模式，也就是ASCII和RTU，這兩種傳輸模式對傳輸信息的機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了定義，在實(shí)踐過程中，采于MODBUS串行通信時(shí)需要所有參加通信設(shè)備輸出模式都要保持一致，選擇一種傳輸模式。ASCII在實(shí)踐中應(yīng)用的相對比較少，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以將字符發(fā)送的時(shí)間間隔控制在1秒而且不產(chǎn)生錯(cuò)誤。而RTU傳輸模式，傳輸?shù)南⒅忻?個(gè)字節(jié)包含兩個(gè)四位十六進(jìn)制字符，因此其傳輸字符的密度比較高，因此此種傳輸模式被廣泛的應(yīng)用。具體的傳輸特征見表1：

綜合上述的兩種傳輸渠道，我們一般會(huì)將MODBUS的消息作為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著設(shè)備開始工作與終止工作的時(shí)間，比如通信設(shè)備在接收到消息之后，允許接受消息的設(shè)備會(huì)按照程序自動(dòng)讀取消息地址，然后判斷消息被那個(gè)設(shè)備處理，并且斷定消息的處理結(jié)果。一般消息的發(fā)送時(shí)間字符都是有著嚴(yán)格要求的，以3.5個(gè)字符的停頓時(shí)間作為開始（如表2的T1-T2-T3-T4所示）。一般在網(wǎng)絡(luò)波特多樣化的環(huán)境背景下，字符的時(shí)間是比較容易實(shí)現(xiàn)的，因此我們可以將消息傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字符設(shè)定為設(shè)備地址，傳輸字符的結(jié)構(gòu)是十六進(jìn)制的，因此系統(tǒng)會(huì)在接收到第一個(gè)信號為開始，并且對每個(gè)地址域進(jìn)行判斷，判斷是否是自己發(fā)送的，在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。

1.2 一個(gè)完整的消息幀格式所包含內(nèi)容

在整個(gè)幀中必須要連續(xù)的進(jìn)行消息的傳輸，而且傳輸?shù)臅r(shí)間不能超過3.5個(gè)字符時(shí)間，因?yàn)?.5個(gè)字符時(shí)間被接受設(shè)備看作一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，如果接受設(shè)備在接收到某個(gè)信息之后，如果在3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)，其沒有接收到信息那么該設(shè)備就會(huì)將后面接收的信息作為新的指令，當(dāng)然如果在3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接收到了新的信息，那么無論其是否屬于新的消息，其都會(huì)將其作為上一信息的延續(xù)，可以說這樣的情況都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。

一個(gè)典型的消息幀如下所示：

消息幀一般包括兩個(gè)字符，以RTU報(bào)文幀為例，其第一個(gè)字節(jié)屬于地址，其主要是代表主站將信息發(fā)送到從站的地址，主要是基于從站都具有唯一的地址編碼，這樣可以保證信息準(zhǔn)確地傳遞到從站中，而從站在接收到信息之后，要使用地址開頭的報(bào)文幀進(jìn)行響應(yīng)。功能碼是報(bào)文幀的第二個(gè)字節(jié)，其主要是主站告訴從站應(yīng)該執(zhí)行怎樣的操作。而ASIC模式的字符幀格式則與此模式差不多，其主要是采取兩個(gè)字符報(bào)送文幀的一個(gè)八位字節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)通信。但是報(bào)文幀字符的時(shí)間間隔為1秒，超過1秒就會(huì)出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。一般在智能設(shè)備的MOdbus應(yīng)用層中對于通信參數(shù)的要求是非常嚴(yán)格的，比如在智能設(shè)備設(shè)定為斷路器時(shí)，需要在用戶層定義狀態(tài)參數(shù)等，以此保證用戶能夠根據(jù)一定的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

MOdbus網(wǎng)絡(luò)術(shù)語工業(yè)通信系統(tǒng)，是由智能終端的可編程控制器實(shí)現(xiàn)的，因此在某種意義上實(shí)現(xiàn)消息幀的手段就是要強(qiáng)化對數(shù)據(jù)的傳輸，也就是說Modbus協(xié)議中的數(shù)據(jù)流是由報(bào)文中的間隔實(shí)現(xiàn)同步的，因此需要從以下這兩個(gè)方面入手：一是系統(tǒng)必須要采取單MCU設(shè)計(jì)，才起中斷方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收，保證報(bào)文的同步性；二是必須要對CRC進(jìn)行校驗(yàn)，但是校驗(yàn)則需要占有一定的軟件運(yùn)行時(shí)間，因此其會(huì)影響反應(yīng)速度，因此如果采取標(biāo)準(zhǔn)的CRC計(jì)算公式的話會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，因此基于現(xiàn)實(shí)因素的考慮，基于通信工作的要求采取查表法計(jì)算CRC，這樣可以保證速度以最快的效率實(shí)現(xiàn)通信的需求。

對于MODBUS網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤檢驗(yàn)主要有奇偶校驗(yàn)和幀檢測。它們之間在應(yīng)用范疇上存在一定的差距，比如奇偶校驗(yàn)主要是對字符的應(yīng)用，而幀檢測則主要針對整個(gè)消息。在奇偶校驗(yàn)中需要用戶對配置器進(jìn)行設(shè)定，如果將控制器設(shè)定為奇校驗(yàn)，那么“1”位數(shù)將算到每個(gè)字符的位數(shù)中；幀檢測主要是分為LRC檢測和CRC檢測。CRC檢測的是整個(gè)消息內(nèi)容，因此當(dāng)設(shè)備按照CRC計(jì)算得到的消息之后進(jìn)行對比，如果對比結(jié)果相同那么該消息就是正確的，反之則相反。

2 PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)MODBUS通信的方法

一般通信接口的設(shè)計(jì)必須要具備高速、安全可靠的要求，因此在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)MODBUS通信的方法主要是要達(dá)到上述要求。高速就是保證通訊接口要支持1200-38400之間的標(biāo)準(zhǔn)通信波特率。安全可靠就是其要適應(yīng)不同的環(huán)境，并且能夠滿足高負(fù)荷的絞線。因此在實(shí)踐中我們經(jīng)常適應(yīng)RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn)，而且此種方式在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)非常多見，其屬于一種低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，一般典型的RS-232有9個(gè)接腳，因此再具體的上位機(jī)與通信接口的連接上是通過使用RS-485插卡或者RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊，以此實(shí)現(xiàn)多出通信的連接。本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)的通信方法是采用帶有120特性阻抗的屏蔽雙絞線，確認(rèn)在通訊電纜的兩邊都有終端匹配電阻，并將屏蔽小心接地。從站數(shù)限制為32個(gè)以下。

實(shí)現(xiàn)通信的過程中要對從站地址、寄存器地址及數(shù)據(jù)量等進(jìn)行判定。若是與PLC或者其他標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備進(jìn)行連接時(shí)，需要考慮實(shí)際的結(jié)構(gòu)，即寄存器地址圍，如0X——表示輸出線圈、1X——表示離散量輸入、3X——表示輸入寄存器、4X——表示保持寄存器。注意，寄存器地址是從1開始的，如40001代表0號保持寄存器地址。MODBUS協(xié)議規(guī)定每個(gè)消息不超過256個(gè)字節(jié)。

以從站為例，下圖是實(shí)現(xiàn)通信的流程圖：

3 利用Visual C++實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與串口設(shè)備的通信

3.1 MSComm控件通訊方式

實(shí)現(xiàn)通信的主要方式就是尋求合理的串口，目前人們所采取的串口主要是利用MSComm控件，此種模式在進(jìn)行程序編程時(shí)非常方便，而且其可以適用于不同的語言環(huán)境中，MSComm控件通信方式主要包括以下兩種：一是事件驅(qū)動(dòng)方式，事件驅(qū)動(dòng)方式主要是根據(jù)串行端口在傳輸和接收數(shù)據(jù)時(shí)需要系統(tǒng)給予通知的原理，比如在串口接收字符時(shí)如果其中存在某些變化時(shí)，可以利用該方式對事件進(jìn)行捕獲，同時(shí)還可以對某些錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，此種方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)，具有可靠的穩(wěn)定性；另一種是查詢方式。查詢方式實(shí)際上還是事件驅(qū)動(dòng)的延伸，只是在某些情況下采取此種模式會(huì)更加方便，比如在編寫一個(gè)簡單的程序時(shí)，是沒有必要對每個(gè)字符產(chǎn)生事件的，因此可以采取查詢方式。

3.2 MSComm 控件的常用屬性

通過當(dāng)前的程序設(shè)計(jì)理論，MSComm空間的屬性主要包括：CommPort；Settings；PortOpen；Input 以及Output等。

常數(shù)值描述：comEvSend 1 發(fā)送事件；comEvReceive 2 接收事件；comEvCTS 3 clear-to-send 線變化；comEvDSR 4 data-set ready 線變化；comEvCD 5 文件結(jié)束。

本軟件選用RTU模式，利用查表法實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對串口設(shè)備內(nèi)數(shù)據(jù)的查詢和預(yù)置兩個(gè)功能。主要函數(shù)包括：OnInitDialog（）：實(shí)現(xiàn)對串口的初始化；OnButtonSend（）：向串口發(fā)送數(shù)據(jù)；OnComm（）：當(dāng)輸入緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)讀出。軟件運(yùn)行界面如圖3：

4 結(jié)論

本文簡述MODBUS協(xié)議，分析了ASCII和RTU兩種傳輸方式的各自特點(diǎn)及幀格式，最終選取RTU格式作為工業(yè)現(xiàn)場的通訊協(xié)議，以此為基礎(chǔ)，探索在Visual C++環(huán)境下使用MSComm 控件進(jìn)行編程，并選取SIMENSE S7-300作為下位機(jī)試驗(yàn)，此程序在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，證實(shí)可行，為工業(yè)現(xiàn)場通訊調(diào)試及安裝提供了有利的軟件支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳廣慶，徐克寶，劉廷瑞.基于VB的壓力校驗(yàn)儀計(jì)算機(jī)校驗(yàn)系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2011（02）.

[2]董平，李明菊，王鵬，郭殿林.API串口通信在動(dòng)力配煤控制系統(tǒng)中應(yīng)用[J].潔凈煤技術(shù)，2009（02）.

[3]王延年，陳紅，高霞.基于CP341模塊的MODBUS RTU從站協(xié)議免驅(qū)動(dòng)通信[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（12）.

[4]萬鵬，趙世平，徐弘軒.基于Modbus協(xié)議的PLC與LabVIEW的通訊實(shí)現(xiàn)[J].中國測試技術(shù)，2008（05）.