Modbus協(xié)議在STM32單片機(jī)與MCGS通信中的應(yīng)用研究

摘要：Modbus 協(xié)議因其簡(jiǎn)單、開放和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議。通過(guò)分析Modbus 協(xié)議的工作原理及其在STM32 單片機(jī)與監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generatedsystem，MCGS）通信中的關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)了一個(gè)高效、穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了STM32 單片機(jī)與MCGS 之間穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)交換，為工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控提供有力支持。通過(guò)介紹通信接口設(shè)計(jì)、Modbus 消息幀設(shè)計(jì)以及MCGS 軟件設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，為工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控提供一種高效、穩(wěn)定的解決方案。

關(guān)鍵詞：Modbus 協(xié)議；STM32 單片機(jī)；MCGS；通信接口；工業(yè)自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TN919.5；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，各種控制設(shè)備和傳感器之間的通信需求日益增加。為了實(shí)現(xiàn)不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備之間互聯(lián)互通，需要一種通用的通信協(xié)議。Modbus 協(xié)議憑借其簡(jiǎn)單、開放和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議之一。在STM32 單片機(jī)與監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system，MCGS） 通信的過(guò)程中，Modbus 協(xié)議發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

1 Modbus協(xié)議概述

Modbus 協(xié)議規(guī)定了控制器之間以及控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）與其他設(shè)備之間的通信準(zhǔn)則，允許不同制造商生產(chǎn)的控制設(shè)備能夠連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

在STM32 單片機(jī)與MCGS 通信的過(guò)程中，Modbus 協(xié)議發(fā)揮了關(guān)鍵作用。STM32 單片機(jī)作為一種兼具高性能與低成本的嵌入式系統(tǒng)控制器，被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)控制場(chǎng)景中。而MCGS 作為一款通用的工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控軟件，則提供了豐富的圖形界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能?；贛odbus 協(xié)議，STM32 單片機(jī)與MCGS 可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)交換，以及對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Modbus協(xié)議通過(guò)規(guī)定一系列的標(biāo)準(zhǔn)功能碼，如讀取線圈狀態(tài)、讀取輸入狀態(tài)、寫入單個(gè)線圈、寫入多個(gè)線圈等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確控制。例如，在STM32 單片機(jī)中，通過(guò)Modbus 協(xié)議將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCGS 以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，MCGS 也可以通過(guò)該協(xié)議向STM32 發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。Modbus 協(xié)議還支持多種通信接口，如推薦標(biāo)準(zhǔn)485（recommended standard 485，RS-485）、傳輸控制協(xié)議/ 因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）等接口，使其在不同的工業(yè)環(huán)境中都具有廣泛的適用性[1]。在STM32 與MCGS 的通信中，通常采用的是串行通信方式，如RS-485 接口，該接口因長(zhǎng)距離、高速率和低成本的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

2 STM32單片機(jī)與MCGS的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在STM32 單片機(jī)與MCGS 的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性。本文分析了Modbus 協(xié)議在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合STM32 單片機(jī)的強(qiáng)大功能與MCGS 組態(tài)軟件的靈活性，構(gòu)建了一個(gè)高效、可靠的通信系統(tǒng)。

本文針對(duì)STM32 單片機(jī)進(jìn)行了細(xì)致的硬件配置和軟件編程。在硬件配置方面，選擇了合適的串口通信模塊，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。在軟件編程方面，優(yōu)化了串口初始化、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送等關(guān)鍵函數(shù)，提高了通信效率。利用MCGS 組態(tài)軟件的圖形化界面和數(shù)據(jù)處理能力，用戶可以直接監(jiān)控STM32 單片機(jī)，體現(xiàn)了人機(jī)交互的友好性。MCGS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析、存儲(chǔ)和展示從STM32 單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)。在通信協(xié)議的選擇上，該通信系統(tǒng)采用了廣泛應(yīng)用的Modbus協(xié)議。該協(xié)議不僅簡(jiǎn)單易用，而且具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性。

3 通信接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)最終選定了型號(hào)為TPC7062TX 的MCGS觸摸屏作為上位監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備的通信接口采用RS-485 接口。STM32 單片機(jī)與MCGS 觸摸屏通信接口之間存在電平不匹配的問(wèn)題。STM32 單片機(jī)串口使用的是晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistorlogic，TTL）電平，電壓波動(dòng)范圍為0 ～ 3.3 V，而MCGS 觸摸屏的RS-485 接口支持的電壓范圍為-6 ～ 6 V。由于這種電平差異，需要一個(gè)轉(zhuǎn)接芯片來(lái)確保雙方能夠平穩(wěn)通信。因此，本系統(tǒng)選擇了性能穩(wěn)定的Sipex 公司SP3072EEN 芯片。

圖1 展示了SP3072EEN 芯片的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，芯片的左側(cè)引腳與STM32 單片機(jī)進(jìn)行連接。RO 接口（數(shù)據(jù)發(fā)送引腳）通過(guò)4.7 kΩ 的上拉電阻與單片機(jī)的接收引腳相連，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。DI 接口作為數(shù)據(jù)接收引腳，與單片機(jī)的發(fā)送端連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速接收。在通信開始之前，需要激活芯片的發(fā)送（RE）和接收（DE）引腳。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并節(jié)省端口資源，系統(tǒng)將這兩個(gè)引腳連接后接入單片機(jī)的單一使能端口，實(shí)現(xiàn)單一控制功能。芯片的右側(cè)A、B 引腳與MCGS 觸摸屏的RS-485 接口相連，這兩個(gè)引腳利用電壓差來(lái)表示不同的邏輯狀態(tài)。其中，B 引腳配備了下拉電阻R2，A 引腳則連接了上拉電阻R3，確保非通信狀態(tài)下信號(hào)維持在邏輯“1”，即高電平狀態(tài)。R3 作為終端電阻，負(fù)責(zé)有效吸收線路上的反射信號(hào)并減少信號(hào)干擾[2]。

4 Modbus消息幀設(shè)計(jì)

Modbus 協(xié)議最初是為實(shí)現(xiàn)可編程控制器之間的通信而設(shè)計(jì)的，如今它已發(fā)展為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的主流總線協(xié)議。在這一協(xié)議框架下，MCGS 監(jiān)控平臺(tái)扮演指令發(fā)送者的角色，主動(dòng)與STM32 單片機(jī)進(jìn)行通信。而STM32 單片機(jī)則作為從設(shè)備，根據(jù)接收的指令類型做出相應(yīng)的響應(yīng)。

Modbus 協(xié)議的消息幀格式包括美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（American standard code for informationinterchange，ASCII） 和遠(yuǎn)程終端單元（remoteterminal unit，RTU）兩種，其中ASCII 格式是以字符為單位進(jìn)行傳輸?shù)模勺x性強(qiáng)，但傳輸效率較低；RTU 格式則基于字符流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度更快、效率更高。因此，本文采用RTU格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，Modbus RTU 消息幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

Modbus 協(xié)議支持多達(dá)255 個(gè)功能碼，為系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。采用的MCGS 組態(tài)軟件支持01、02、03、04 等功能碼，這些功能碼在通信過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，不僅定義了數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作，還確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。以功能碼03 為例，通常用于讀取多個(gè)保持寄存器的內(nèi)容[3]。當(dāng)MCGS 監(jiān)控平臺(tái)需要獲取STM32 單片機(jī)中某些寄存器的當(dāng)前值時(shí)，就會(huì)發(fā)送包含功能碼03 的Modbus 請(qǐng)求。STM32 單片機(jī)在接收到該請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)請(qǐng)求中的寄存器地址和數(shù)量，讀取相應(yīng)的寄存器值，將這些值打包成Modbus 響應(yīng)幀發(fā)送回MCGS 監(jiān)控平臺(tái)。

采用基于Modbus 協(xié)議的通信方式，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和效率，使得系統(tǒng)更加靈活和可擴(kuò)展。通過(guò)合理地選擇和使用功能碼，可以輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足各種復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化需求。

5 Modbus協(xié)議控制流程

在探討Modbus 協(xié)議的控制流程時(shí)，本文主要聚焦于單片機(jī)模塊如何響應(yīng)上位機(jī)并且通過(guò)組態(tài)屏內(nèi)置驅(qū)動(dòng)自動(dòng)生成的Modbus 請(qǐng)求。該過(guò)程的核心在于STM32 單片機(jī)的編程與響應(yīng)機(jī)制。STM32 單片機(jī)的串口配置與上位機(jī)相匹配是有效通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的周期取決于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求以及單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。在本系統(tǒng)中，STM32單片機(jī)采用定時(shí)器來(lái)管理數(shù)據(jù)采集和響應(yīng)的周期。當(dāng)組態(tài)端發(fā)出Modbus 請(qǐng)求幀時(shí)，請(qǐng)求經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊后被傳送至單片機(jī)的串口進(jìn)行緩存。該過(guò)程中，串口中斷被觸發(fā)，通過(guò)組態(tài)屏內(nèi)置驅(qū)動(dòng)自動(dòng)生成的Modbus 請(qǐng)求幀，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊傳送至STM32 單片機(jī)的串口緩存區(qū)中。STM32 單片機(jī)通過(guò)專門的讀取函數(shù)訪問(wèn)串口緩存區(qū)，獲取上位機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。在確認(rèn)數(shù)據(jù)完整性后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行循環(huán)冗余校核（cyclic redundancy check，CRC）校驗(yàn)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。一旦校驗(yàn)無(wú)誤，Modbus請(qǐng)求幀的不同字段將被解析并存儲(chǔ)在單片機(jī)的緩存數(shù)組中[4]。單片機(jī)根據(jù)接收的功能碼和操作地址來(lái)決定如何響應(yīng)。例如，如果功能碼指示讀取某個(gè)寄存器的值，單片機(jī)將會(huì)從相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)，生成Modbus 響應(yīng)幀并且將其發(fā)送回上位機(jī)。若依據(jù)功能碼要求寫入數(shù)據(jù)，單片機(jī)則會(huì)將指定數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)地址。Modbus 協(xié)議工作流程如圖3 所示，該流程的順暢運(yùn)行依賴于每個(gè)環(huán)節(jié)的精確配合，包括串口的正確配置、定時(shí)器的精確控制、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確校驗(yàn)以及功能碼的正確解析與執(zhí)行。

6 MCGS軟件設(shè)計(jì)

在MCGS 軟件設(shè)計(jì)中，本文考慮了用戶界面的友好性、數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。MCGS 作為一種功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，為工業(yè)自動(dòng)化的監(jiān)控提供了豐富的工具和資源。首先，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)直觀且易于操作的用戶界面[5]。通過(guò)圖形化的界面設(shè)計(jì)，用戶能夠輕松查看和控制STM32 單片機(jī)的狀態(tài)。該設(shè)計(jì)還提供了豐富的數(shù)據(jù)展示功能，如實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢等，以便用戶能夠全面了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在數(shù)據(jù)處理方面，利用MCGS 提供的數(shù)據(jù)處理函數(shù)和腳本語(yǔ)言。通過(guò)編寫相應(yīng)的腳本程序，對(duì)從STM32單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，這些數(shù)據(jù)不僅可以用于界面的實(shí)時(shí)更新，還可以存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中供后續(xù)分析使用。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化需求的不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)需要接入更多的設(shè)備和傳感器，因此在MCGS 軟件設(shè)計(jì)中預(yù)留了豐富的接口和功能模塊，以便未來(lái)能夠輕松地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的功能和規(guī)模。

7 結(jié)論

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于設(shè)備之間的通信效率和穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高。本文圍繞Modbus 協(xié)議在STM32 單片機(jī)與MCGS 通信中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效、穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了STM32 單片機(jī)與MCGS 之間的無(wú)縫對(duì)接，更在實(shí)際應(yīng)用中為工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控提供了強(qiáng)大的支持。

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