1 引言
現(xiàn)代工業(yè)自動控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。實現(xiàn)不同種自動化設(shè)備之間通信是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵。現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，將符合同一標準的各種智能設(shè)備統(tǒng)一起來，徹底實現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)的分散控制，將提高系統(tǒng)集成度和數(shù)據(jù)傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統(tǒng)抗干擾性能和擴展系統(tǒng)功能。基于Modbus協(xié)議的串口通信是較常用的方式之一。
2 MODBUS協(xié)議簡介
MODBUS協(xié)議具有偵錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點，因而成為目前自控領(lǐng)域使用非常廣泛的通訊語言。本文通過一個應(yīng)用實例介紹如何利用單片機編程實現(xiàn)在線通訊ModBUS消息的工作過程，在可視化語言環(huán)境下完成地址域、功能代碼域、數(shù)據(jù)域的分配及CRC校驗。MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通訊語言。利用這個協(xié)議，控制器相互之間（例如485、232C等），控制器通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間進行通訊。它定義了一種控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是通過何種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；描述的是控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵錯并記錄；制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。MODBUS通訊規(guī)約按照主從設(shè)備來規(guī)定，如：主站一次可向一個或所有從站發(fā)送通信請求（或指令），主設(shè)備通過消息幀的地址域來選通從設(shè)備。主站發(fā)送的消息幀的內(nèi)容和順序為：從站地址（設(shè)備地址）、功能碼、數(shù)據(jù)域（數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)內(nèi)容）、CRC校驗碼；從站應(yīng)答的信息內(nèi)容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據(jù)錯誤的原因采取相應(yīng)的措施。從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)內(nèi)容依據(jù)功能碼進行響應(yīng)。例如功能代碼03要求讀取從站設(shè)備中保持寄存器的內(nèi)容。
2.1 MODBUS通訊傳輸模式
MODBUS通訊實現(xiàn)有兩種傳輸模式（ASCII或RTU），ABB公司的50系列PLC產(chǎn)品采用的是RTU（遠程終端單元）模式，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。
代碼系統(tǒng)：
· 8位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F。
· 消息中的每個8位域都是一個兩個十六進制字符組成每個字節(jié)的位。
· 1個起始位。
· 8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送。
· 1個奇偶校驗位，無校驗則無。
· 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）。
· 錯誤檢測域，CRC（循環(huán)冗長檢測）。
基于RS485的RTU模式MODBUS通訊格式為：
它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃唬约皼Q定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。
2.2 MODBUS通訊查詢回應(yīng)功能
（1）查詢 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。
（2）回應(yīng) 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認消息內(nèi)容是否可用。
2.3 MODBUS消息幀
傳輸設(shè)備將MODBUS消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個變量被選中，判知何時信息已完成。部分消息也能偵測到錯誤并且能設(shè)置為返回結(jié)果。使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€域是變量地址。可以使用的傳輸字符是十六進制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。
整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。所以在通訊端口初始化時，Timer1定時間隔設(shè)置為500ms。
2.4 MODBUS的CRC校驗原理
CRC校驗實現(xiàn) MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個字節(jié)用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節(jié)的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續(xù)的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結(jié)果同收到的CRC碼的雙字節(jié)比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯誤應(yīng)答。 RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實現(xiàn)CRC校驗有兩種方法：根據(jù)CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現(xiàn)，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應(yīng)的碼組系數(shù)為18005H（16進制），去除最高位，對應(yīng)的16位余數(shù)為8005H，即為CRC-16常數(shù)。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數(shù)據(jù)進行異或，結(jié)果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，而最低位（LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數(shù)進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數(shù)據(jù)異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。RTU模式的傳輸格式是1個數(shù)據(jù)位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。通信數(shù)據(jù)安全由控制參數(shù)CRC-16碼保證。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過的時間判斷一幀的開始，如果經(jīng)過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設(shè)備就會放棄該幀，并設(shè)下一個字符為新一幀的開始，應(yīng)用程序中，MODBUS協(xié)議通信由通訊子模塊實現(xiàn)，包含CRC-16計算與驗證、信息幀的編制和分解。
3 MODBUS通訊應(yīng)用
下面是基于單片機MSP430F149為主芯片的高壓軟起動裝置液晶操控板，以此為例來說明MODBUS通訊的應(yīng)用。MODBUS通訊主設(shè)備是DSP控制器，從設(shè)備是高壓軟起動裝置液晶操控板。
3.1 液晶操控板MODBUS通訊測試碼
/*****************************MODBUS通訊測試碼*****************************
召喚發(fā)送：
00 06
00 00 00 0C 1E 88
電壓、電流監(jiān)測功能：
00 03
1C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0D 8D
故障顯示功能：
00 02
18 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 20 34
*****************************MODBUS通訊測試碼*****************************/
2：對以上測試碼分別進行說明：
（1）：召喚發(fā)送，參數(shù)設(shè)置功能：即控制器（DSP）與液晶屏（430）之間的通訊，是雙向的。
00 06
00 00 00 0C 1E 88
以上這段代碼是DSP傳給430的召喚代碼，含義（代碼從左到右）是：00：設(shè)備代碼。本系統(tǒng)中從設(shè)備只有高壓軟起動裝置液晶操控板一個設(shè)備，故設(shè)備代碼設(shè)置為00。06：功能碼，實現(xiàn)何種功能（本例中，06是雙向召喚發(fā)送功能，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置；03功能碼實現(xiàn)電壓、電流監(jiān)測功能；02功能碼實現(xiàn)故障顯示功能）。00 00：是起始地址的高八位、低八位。00 0C：是DSP要求430回傳字節(jié)的個數(shù)（不包括設(shè)備代碼、功能碼、數(shù)據(jù)個數(shù)代碼、和校驗代碼），00是個數(shù)的高八位、0C是個數(shù)的低八位，0C是十六進制（轉(zhuǎn)換成十進制是12，12是從“起動時間、額定電流——備用 3”的個數(shù)），1E 88：是CRC校驗碼。當DSP給430傳
00 06
00 00 00 0C 1E 88
代碼時，430先將這8個字節(jié)保存到一個臨時數(shù)組RX[]中，然后分別對這8個字節(jié)進行判斷（1E 88是校驗查表得出來的代碼），如果檢驗正確，就會把要回傳給DSP的字節(jié)放到can_s[]數(shù)組中發(fā)出去，發(fā)送到DSP。以下代碼就是430接到
00 06
00 00 00 0C 1E 88
判斷正確后，回傳給DSP的代碼。00 06：是設(shè)備代碼、功能碼。18：回傳的字節(jié)個數(shù)（十六進制18就是十進制24）。B6 8F是回傳的校驗代碼。中間的24個字節(jié)（00），每兩個字節(jié)（00）分別對應(yīng)“起動時間、額定電流——備用 3”，之所以全是00 ，是因為沒有設(shè)置參數(shù)，在液晶屏上設(shè)置參數(shù)，相應(yīng)的高低位也跟著變化。
00 06
18 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 B6 8F
（2）：電壓、電流監(jiān)測功能：
00 03
1C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 0D 8D
同理00 03 1C是設(shè)備地址、功能碼、DSP傳給430的數(shù)據(jù)個數(shù)（1C是十六進制，轉(zhuǎn)為十進制是28，包括1C在內(nèi)，不包括00 03 0D 8D）。當430接收到
00 03
1C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0D 8D
時，會將接收到的字節(jié)分別存到可用數(shù)組里，在利用可用數(shù)組進行顯示。
DSP下傳：
00（設(shè)備代碼）03（功能碼）1C（個數(shù)14*2） 00H（電壓高位）00L（電壓低位）
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
00H（備用12高位）00L（備用12低位）CRCH（高位）CRCL（低位）
（3）：故障顯示功能：
00 02
18 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01
01 01 01 20 34
同理00 02 18是設(shè)備地址、功能碼、DSP傳給430的數(shù)據(jù)個數(shù)（18是十六進制，轉(zhuǎn)為十進制是24，包括18算內(nèi)，不包括00 02 20 34）。當430接收到
00 02
18 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 20 34
時，會將接收到的字節(jié)分別存到可用數(shù)組里，在利用可用數(shù)組進行顯示。
DSP下傳：
00（設(shè)備代碼）02（功能碼）18（個數(shù)） 00（啟動中）。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。00（三相不平衡）CRCH（高位）CRCL（低位）
高壓軟起動裝置液晶操控板
高壓軟起動裝置液晶操控板
結(jié)語
由于MODBUS串行通訊技術(shù)有著實現(xiàn)簡便、系統(tǒng)集成費用低以及通訊距離遠（RS485/422）等特點，所以，在各個行業(yè)的應(yīng)用也都很廣泛。MODBUS通訊在現(xiàn)場給調(diào)試人員及編程人員也帶來很大方便。因此，伴隨著多種通訊方式可以融合并存的發(fā)展趨勢，MODBUS串行通訊技術(shù)仍會保持廣泛的應(yīng)用前景。