ModBus協(xié)議包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等,并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口, RS-232C規(guī)定了連接器針腳、接線、信號(hào)電平、波特率、奇偶校驗(yàn)等信息,ModBus的ASCII, RTU協(xié)議則在此基礎(chǔ)上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式。ModBus控制器的數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave方式(主/從),即Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息,Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

ModBus可以應(yīng)用在支持ModBus協(xié)議的PLC和PLC之間、PLC和個(gè)人計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、遠(yuǎn)程PLC和計(jì)算機(jī)之間以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間(通過Modem連接),可見ModBus的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。由于ModBus是一個(gè)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),許多廠家的PLC, HMI、組態(tài)軟件都支持ModBus,而且ModBus是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn),其協(xié)議內(nèi)容可以免費(fèi)獲得,一些小型廠商甚至個(gè)人都可根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出支持ModBus的產(chǎn)品或軟件,從而使其產(chǎn)品聯(lián)入到ModBus的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。因此,ModBus有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中,可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯(lián)網(wǎng)。所以,ModBus的傳輸介質(zhì)種類較多,可以根據(jù)傳輸距離來選擇。

一、ModBus協(xié)議的通訊格式

ModBus可分為兩種傳輸模式:ASCII模式和RTU模式。使用何種模式由用戶自行選擇,包括串口通信參數(shù)(波特率、校驗(yàn)方式等)。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候,同一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

1.1 ASCII模式

當(dāng)控制器設(shè)為在ModBus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信,在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。

使用ASCII模式,消息以冒號(hào)(:)字符(ASCII碼3AH)作為起始位,以回車換行符(ASCII碼0DH, 0AH)作為結(jié)束符。傳輸過程中,網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè)“:”字符,當(dāng)有一個(gè)冒號(hào)接收到時(shí),每個(gè)設(shè)備就解碼下個(gè)位的地址域,來判斷是否發(fā)給自己的。與地址域一致的設(shè)備繼續(xù)接受其它域,直至接受到回車換行符。除起始位和結(jié)束符外,其他域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0…9,A…F,當(dāng)然也要用ASCII碼表示字符。當(dāng)選用ASCII模式時(shí),消息幀使用LRC(縱向冗長檢測(cè))進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。

模式

當(dāng)控制器設(shè)為RTU模式時(shí),消息幀中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。

該模式下消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。傳輸過程中,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線,包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域(地址域)接收到,相應(yīng)的設(shè)備就對(duì)接下來的傳輸字符進(jìn)行解碼,一旦有至少3. 5個(gè)字符時(shí)間的停頓就表示該消息的結(jié)束。

在RTU模式中整個(gè)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(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)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(gè)新消息的地址域。同樣地,如果一個(gè)新消息在小于3. 5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始,接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發(fā)生的話,必然會(huì)導(dǎo)致CRC校驗(yàn)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤消息,反饋給發(fā)送方設(shè)備。

當(dāng)控制器設(shè)為RTU(遠(yuǎn)程終端單元)模式通信時(shí),消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種模式與ASCII模式相比在同樣的波特率下,可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)基于modbus的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),它主要由實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制功能的智能控制儀表、實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制儀表在線配置與監(jiān)控功能的主機(jī)兩部分組成。作為從機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)智能控制儀表主要任務(wù)有:實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、輸出控制、顯示、系統(tǒng)配置以及響應(yīng)主機(jī)激勵(lì);主機(jī)的主要任務(wù)是在線配置從機(jī)、監(jiān)控從機(jī)從而得到相應(yīng)從機(jī)的狀態(tài)、歷史溫度數(shù)據(jù)分析;兩者之間的通訊是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的。

系統(tǒng)主要由通訊電路(輸入)、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、LCD顯示、通信及電源模塊等組成。如圖1所示,系統(tǒng)具有對(duì)外界溫度信號(hào)進(jìn)行采集的能力,采集的模擬信號(hào)經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量,送入微處理器進(jìn)行處理。采集到的每一路溫度都要與系統(tǒng)此路的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較,然后根據(jù)結(jié)果調(diào)用合適的控制算法,并通過控制相應(yīng)的繼電器的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。

考慮到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用,在硬件設(shè)計(jì)方面,微控制器選用了臺(tái)灣Syncmos公司生產(chǎn)的8位微控制器SM5964, 它是80C52 微控制器家族的派生產(chǎn)品,其強(qiáng)大的片內(nèi)資源,只需添加少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測(cè)量利用Pt(100Ω)熱敏電阻,測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用凌特公司(Linear Technology)推出的20位無延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430,此模塊可直接對(duì)測(cè)量的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行處理,并能夠滿足精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關(guān)的器件。