基于modbus协议的单片机与plc通讯的设计

第 1 章 绪论 随着计算机、数字通信的快速发展，计算机控制已经拓展到全部的工业 领域。其中，单片机和 PLC 得到了长足的发展，在小规模的控制系统中得到了 非常广的应用。 对工业系统来说，PLC 与单片机的应用都比较普及，可是，两者都有各自 的优缺点。单片机的驱动能力比较弱，且无法驱动大功率、大电流设备的直接 运行，因而在使用方面受到限定。相比而言 PLC 则运行可靠、使用也相对简单、 抗干扰效果好，而且负载驱动能力也比较强，所以适合在一些环境较差的地方 工作。 可是 PLC 控制能力固然强，但是其结构锁闭，缺乏智能化，无法链接键盘 等外部设备，所以在使用 PLC 时就必须要通过外部智能设备编程来实现控制。 想要进行弱电控制强电，必须要有智能程度较高的核心。而单片机的智能化程 度很高，在系统的设置和外部设备的管理中起着非常高的作用。PLC 和单片机 联系可以提升 PLC 的数据处理功能，友好与简洁的人机交互也给用户提。供了 很大便利。 本次要实现基于 modbus 协议的单片机与 plc 通讯的设计，通过 MX232 接 口。转 RS485 接口转换电路，将单片机与 PLC 进行连接，单片机作为上位机向 PLC 发送数据，实现以 51 单片机为核心，将输出信号通过 RS485 总线来与西门 子 S7-200PLC 进行串口通信。 1.1 主要任务以及目标 通过查阅相关资料，了解 51 单片机及 S7-200PLC 通讯的发展概况； 根据相关文献，深入学习 51 单片机及 S7-200 PLC 通讯系统各部分的组成 以及控。制的基本原理和方法； 综合运用所学的模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术、无线通信 技术、嵌入式等知识 ，进而查阅相关文献，研究 51 单片机及 S7-200 PLC 通讯 的设计方法； 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 1 根据要求，编写软件设计基于 51 单片机及 S7-200 的 PLC 各个功能模块； 通过该设计，达到以下几个目标：提高分析和解决问题的能力；提高对所 学知识的综合运用的能力；提高查阅有关文献的能力；获得工程设计的基本训 练；提高动手操作能力。 1.2 设计的主要内容 对整个 MODBUS 通讯协议的构成、要求、应用等进行大概的了解，明确课题 的定位和所要解决的问题； 选择单片机及 PLC 型号，经过对常用编译软件的相关了解,对单片机控制方 法做简单测试； 对 51 单片机控制的理论以及涉及到 S7-200 PLC 的相关知识进行系统的学 习； 根据选定的单片机型号以及 S7-200 PLC 的机型画出对应的最小系统以及 各个功能模块电路图，搭建硬件调试环境； 综合调试，主机控制板与从机控制板进行 MODBUS 通讯，分别控制各个功能 块。对设计的结果进行分析和总结； 1.3 设计的基本要求 通过这次毕业设计，要求学生提高查阅文献的能力，提高综合运用所学知 识系统分析问题和解决问题的能力。 要求学生掌握 51 单片机与 S7-200 PLC 通讯设计的基本方法，获得工程设 计的基本训练，学会科技论文的写作规范。 通过本课题，深入研究 S7-200 单片机与 S7-200 PLC 通讯的设计，通过实 践发现问题、解决问题。 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 2 第 2 章 单片机和 plc 的现状与展望 2.1 目的和意义 现代的控制领域中当使用老式的控制系统的用户采用 MODBUS 作为一个能够 解决复杂问题的简单解决方案，在他们发现自己需要扩充的是现场仪表或者增 加远程控制器的时候，MODBUS 的简单性以及它的便利在于在许多通讯媒介上实 施应用的特点，所以它受到广泛的支持，用户可以让一个外来设备连接到控制 系统里面使用这个设备的 MODBUS 接口被证明是最为容易的办法。虽然 MODBUS 已经是最为古老的通讯方法之一，由于非常多的原因它也是最及的通讯方法。 MODBUS 便于使用、也非常可靠、价格很低廉并且可以连接到控制工业领域几乎 所有的传感器和控制设备。 传统工业控制系统的带来的不便，形成了大量的“信息孤岛”，对于工业 控制来说，想要确保产品质量和进行连续生产，各个站点之间必须互相配合， 共同协调，因此这就要求各个站点能互相沟通讯息，互相之间传信。而要想实 现对全局的监视控制和优化，上级管理网也要经常与子站交换数据。然而，子 站是采用不同的开发调试平台、不同的通讯协议来组成的结构系统，要为每种 协议开拓一个转换接口或驱动是比较繁琐的，尤其是在站点和协议较多的时候。 所以，采用 modbus 协议可以很好的解决这个问题，具有很高的性价比。 2.2 单片机和 plc 的发展 单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是用大规模集成电路技。 术来构造的一个小且完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。其系 统结构简单，使用方便，实现模块化； 单片机的可靠性非常高，可连续工作到 106 107 小时而无故障；处理功能强，速度快低电压，低功耗，便于生产便 携式产品。控制功能强 ，环境适应能力强。从上世纪 80 年代就开始发展，由 4 位、8 位单片机发。展到 300M 的高速单片机。 plc 是可编程控制器，它使用方便，编。程简单，有很强的功能，可以实 现非常庞大的控制功能。PLC 有较强的带负载能力，可以方便快速地适应工艺 条件的变化。PLC 仅剩下与输入输出有关的少量硬件元件，用软件取代非常多 的中间继电器以及时间继电器，所以因为触点接触不良造成的错误大为减少。 20 世纪 80 年代至 90 年代中期，PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网 络获得了巨大的提升，在过程控制领域中 plc 已经十分常见了。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 3 2.3 应用 PLC 与单片机两者之间并不具有可比性，plc 是建立在单片机之上的产物, 而单片机则是一种集成聚合电路。PLC 它在没有控制程序的时候是不具备任何 的控制功能的。PLC 事实上是专门为工业环境而采用使用的控制平台,是一种控 制器，想要完成最终控制的目的，必须进行二次开发。 单片机应用系统就是多种多样, 质量也无法全究, 学习、使用和维护都比 较困难。从 PLC 与单片机系统的选择上来讲, 对于少量工程和重复性小的项目 来说, 采用 PLC 方案很明智、很快捷, 成功率高, 可靠性好, 但成本非常高。 对于量大的项目, 采用单片机系统则可以让成本低、收益好。最好的方法是单 片机系统嵌入 PLC 的功能, 这样也可以使性能得到提升，大大缩短单片机系统 的研。制时间。 单片机工作的三个条件分别是电源、时钟晶振、复位。当单片机不能正常 工作时，我们首先就要用电压表或者万用表检测电源和接地脚，检测两个引脚 之间的电压是否在 5V 左右；对于时钟晶体振荡有没有正常工作的状况，我们最 好用示波器进行检测，看能否检测到相应频率的正弦波。脉冲复位检测比较简 单，单片机的复位电平一般是高电平复位，单片机在接通电源的时候一般复位 引脚上会出现 5V 左右的高电平，另外在按下复位按键时，复位引脚上也会出现 高电平，用一般的电压表或者万用表都可以进行检测。 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 4 第 3 章 硬件设计 3.1 设计方案的选择 利用单片机做主机，使用 modbus 协议，主机单片机发送 MODBUS 命令给从 机，从机返回数据给主机单片机，由单片机将数据写入 PLC 相应的寄存器中， 实现 modbus 通讯的功能利用单片机做主站，并且同时开发主机与从机，编写主 机和从机 modbus 通讯协议，适应性更强。 3.2 MCS51 单片机的简介 对所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机统称。这个系列单片机的鼻祖 是 Intel 的 8031 单片机，科技的进步，8031 单片机也取得了非常大的改进， 成为使用巨大的 8 位单片机之一，AT89 系列为代表系列。 硬件部分主要由 51 单片机、 S7-200PLC、 RS485 接口芯片组成。51 单片 机拥有 8 位 CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52 为 8K)，32 条 I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令，2 个可编程定时/计数器5 个中断源、2 个优 先级(52 有 6 个)，在这里单片机与 MAX232 芯片被聚合在单片机开发板上， RS232 电平已经是开发板上发出来的电平，所以单片机可以直接与 RS485 总线 相连，并且链接 plc， 使 PLC 上的输出信号来实现控制。 51 系列单片机程序存储器的管理： 每个 ROM 单。元(byte)对应一个唯一的 16bit 地址编码(Address) CPU 要到某个 ROM 单元去取指令，是通过把地址写入一个 16bit 的特殊功 能。寄存器程序计数器 PC(Program Counter)来实现，因此，51 系列单片 机的地址的编码范围(通常称为寻址范。围)： 0000 0000 0000 0000B 1111 1111 1111 1111B（二进制） 0 0 0 0 H F F F F H （十六进制） 0 65535 （十进制） 通常习惯说 51 系列单片机的 ROM 寻址范围是 64K PC 的值是 CPU 根据用户程序的运行流程自动装载的，它的值代表单片机下 一条要执行的指令在 ROM 中的存放位置，用户不能直接对 PC 进行操作。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 5 3.3 S7-200PLC 西门子公司的 s7-200 系列 plc 指令丰富，操作简便，串行通信方式最为丰 富。支持多种通信协议模式，如 modbus 协议，广泛应用于各种生产当中。 S7 -200 系列 PLC 通信端口的通信方式使异步串行通信, 通信端口的标准 采用 R S 485 接口标准， 可以组成串行通信网络, 来形成分布式的系统, 系统 中有 32 个站为最多。 从 CPU 模块的功能。看，SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 发展至今，大致经 历了两代： 第一代产品，其 CPU 模块为 CPU 21X。机都可进行扩展，它具有四种不同配 置的 CPU 单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216， 第二代产品，其 CPU 模块为 CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不 同配置的 CPU 单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224 和 CPU 226 和 CPU226。XM， 除 CPU 221 之外，其它都可加扩展模块，是目前小型 PLC 的主流产品。 CPU 221：用户程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，适 合用于点数少的控制系统。 CPU222：和 CPU221 相比，它可以进行一定模拟量的控制，可以连接 2 个扩 展模块，应用更为广泛。 CPU224：和前两者相比，存储容量扩大了一倍，有内置时钟，它有更强的 模拟量和高速计数的处理能力，使用很普遍。 CPU 226：和 CPU224 相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，可 用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。 CPU226XM：它是西门子公司推出的一款增强型主机，主要在用户程序和数 据存储。容量上进行了扩展，其他指标和 CPU 226 相同。 3.4 RS485 串行通信的实现 3.4.1 单片机 RS-485 串行通信 系统采用 51 单片机为核心，想要让单片机与 plc 进行链接，可以通过 51 单片机的串行口与 MAX485 芯片相连，再与 S7-200 的 RS-485 口进行链接，单片 机串行口输出 TTL 电平，PLC 接口输出的则是 RS-485 信号。这样单片机的串行 通信可以通过电路转换为 RS-485 信号来和 PLC 通信。西门子 S7-200 系列 PLC 有着 RS-485 串行口，因此要使用 51 单片机与 PLC 进行通信，可以使 MAX485 与 MCS-51 单片机的串行口相联，然后再与 S7-200PLC 的 RS-485 口进行链接。 RS-485 的通信程序编写和 RS-232 没有太大区别，如果使用一个 IO 口控制 MAX3082 的 RE/和 DE 端口， RS-485 只比 RS-232 多了一个接收和发送的转换控 制位初始化串口时，使该位处于低电平，即接收状态发送数据时，使该位先为 高，发送完数据后拉低。程序如下： sbit RS485_E P35 /发送，接收控制位 void UART1_Init(void) 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 6 SCON = 0x50; /方式 1，8 位数据，可变波特率 RS485_E= 0; /置低，接收 TMOD|= 0x20; /定时器 1，方式 2，8 位自重载 PCON = 0x00; /波特率倍频禁止 TH1= 0xfd; /晶振 22.1184MHz，波特率 19200; TL1= 0xfd; IE|= 0x90; /开中断 IP= 0x10; TR1= 1; /启动定时器 void UART1_Send_Char(const INT8U dt) SBUF = dt; while(!TI); TI = 0; void UART1_Send_String(INT8U *str, INT8U len) INT8U i; RS485_E= 1; /置高，发送 ES= 0; for(i=0; ilen; i+) UART1_Send_Char(*(str+i); RS485_E= 0; /置低，接收 ES= 1; void UART1_Interrupt(void) interrupt 4 RS485_E = 0; /接收 ES = 0; if(RI) /中断接收数据 ES = 1; 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 7 3.4.2 232/485 电平转换电路 PLC 上的 PPI 电缆是一根 RS232 转 RS485 的匹配电缆，因为 PLC 使用 RS485 串行口， 而单片通信口采用 RS232 串行口， 两者的规范不能相容，需 要用中间电路进行匹配。MAX485E 芯片则是 RS 485 接口标准专用通信芯片, 其。RO 脚为数据的输出脚, 它能接收 RS 485 的差模信号 VAB, 并转换为 TTL 电平并由 RO 输出, RE 脚则为 RO 的使能端, 低电平时要选通 RO, 则输出有 效。D I 脚为数据输入端, 它可以将 TTL 电平的数据信号转换为差模信号 VAB, 并且由 A、B 两脚送出去。信号 DE 则是 D I 使能端,高电平选通 D I, 且输入 有效。故 A、B 两脚既是 RS 485 信号输出端, 同时也是这种信号的输入端, 关键是端口由使能端 RE、DE 的电平来决定。RS232 可以同时进行收发通讯且 时 RS232 设计成两个设备之间可以进行的单独通讯， 不支持多于两个设备的 联接， 所以它的。收发随时可以， 并不会发生通讯的碰撞。 而 RS485 则 采 用差分的两根 A/B 线进行通讯设计， A 和 B 两根线的相对电平来表达 0 和 1 ，然而同一时刻只能让一个设备驱动总线。 在 modbus 端口模式下，PLC 的串行通信接口通过梯形图编制程序以及单片 机的汇编语言程序来进行配合，来使用完成中断字符，接受中断发送完成中断 等等。这时单片机处于主机状态，plc 处于从机状态，由单片机主动发送握手 信号，PLC 则接收到信号后被动地反馈回单片机信息。 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 8 第 4 章 软件方案设计 实现单片机与 PLC 的通信，单片机作为主站，通过 COM 口发送控制指令到 PLC 的 PORT0 口， PLC 通过 RCV 指令接收数据，然后对指令进行译码， 译码 后控制程序，以实现指令要求的操作，同时返回指令的状态信息 4.1 串口通讯模块与数据帧处理 RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业 协会（EIA）制订并发布的。RS-232 在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为 工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。其传送距离最大约为 15 米，最高 速率为 20kb/s，并且 RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设 计的。所以，RS232 只适合于本地通讯使用。 本系统是基于串口 RS232 接口加入 MODBUS 通讯协议。在串行通信的实现中， 采用了串口通信工作方式一，波特率 115200 的方案。在串行通信过程中涉及 寄存器以及定时器的配置。 RS232-485 转换器只使用其中一条线也能够正常工作，它主要包括了电 源、以及 232 电平的的转换、485 电路这三部分。本电路的 232 电平转换电路 使用 MAX232 集成电路方式，485 电路采用了 MAX485 集成电路方式。为了使用 方便，电源部分设计成无源方式，整个电路的供电可以直接从 RS232 接口中的 DTR（4 脚）和 RTS（7 脚）提供。串口中每根线可以提供 9mA 的电流，因此两 根线提供的电流足够供给。 TMOD（定时器寄存器） GATE C/T* M1 M0 GATE C/T* M1 M0 T1 方式字段 T0 方式字段 TMOD |= 0X20 即定时器 T1 工作在方式 2（自动重装的 8 位定时器）。 SCON（串行口控制寄存器） SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SCON = 0X50 即串行口工作方式一（8 位 UART，波特率可变）。 由于单片机对数据帧进行处理时，要采用中断方式接受数据帧处理。因为 处理数据帧需要的时间很长，进行中断方式可以极大地提升速率。一般来说中 断函数应比较简单。所以接收数据帧放在主函数里，中断函数只负责接受。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 9 Modbus 协议只允许在主机（PC，PLC 等）和终端设备之间通讯，而不允许 独。立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据 通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。modbus 功能码定义如下： 功能码名称 作用 01 读取线圈状态取得一组逻辑线圈的当前状态（ ON/OFF) 02 读取输入状态取得一组开关输入的当前状态（ ON/OFF) 03 读取保持寄存器 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 04 读取输入寄存器在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值 05 强置单线圈强置一个逻辑线圈的通断状态 06 预置单寄存器把具体二进值装入一个保持寄存器 07 读取异常状态取得 8 个内部线圈的通断状态 08 回送诊断校验把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴 09 编程（只用于 484 ） 使主机模拟编程器作用，修改 PC 从机逻辑 10 控询（只用于 484 ） 可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信 11 读取事件计数可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功 12 读取通信事件记录主机检索每台从机的 ModBus 事务处理通信事件记录 13 编程（184/384 484） 可使主机模拟编程器功能修改 PC 从机逻辑 14 探询可使主机与正在执行任务的从机通信 15 强置多线圈强置一串连续逻辑线圈的通断 16 预置多寄存器把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器 17 报告从机标识主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态 18 884 和 MICRO 84 可使主机模拟编程功能，修改 PC 状态逻辑 19 重置通信链路从机复位于已知状态，可重置顺序字节 20 读取通用参数显示扩展存储器文件中的数据信息 21 写入通用参数把通用参数写入扩展存储文件，或修改之 必须了解 Modbus 的各个功能对应的帧格式，理解其含义和本质，数据帧处 理是整个系统的核心部分，在现场总线技术中有着至关重要的作用。然后才能 正确进行处理。 ModBus 的 RTU 模式数据帧格式如下： 12345678 从机 地址 MOD BUS 命令 起始 寄存器高 字节 起 始寄存 器低字 节 寄 存器数 高字节 寄存 器数低字 节 CRC 低字节 CRC 高字节 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 10 在数据帧处理的过程中，开始之后要先判断数据帧是否接受完，然后判断 是否发给本从机即地址是否匹配。对完整的数据帧要 CRC 校验，CRC 校验正确 的帧执行下一处理步骤，否则丢弃，并提醒主机重发数据。CRC 校验正确和地 址位正确是帧处理的前提。在前提条件满足后才能提取功能位和数据位。并根 据功能位确定要执行的功能。 上述处理重复进行，直到执行完了 8 次移位操作，当最后一位（第 8 位） 移完以后，下一个 8 位字节与寄存器的当前值进行异或运算，同样进行上述的 另一个 8 次移位异或操作，当数据帧中的所有字节都作了处理，生成的最终值 就是 CRC 值。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 11 4.2 plc 程序设计和单片机程序设计 4.2.1 plc 程序设计 连接。通。讯电。缆 S7-200 的通。讯端。口是一个 9 孔（fam。el）D。型插。头，针。脚分。布如下。所示： 针脚信号 1 地线 (RS-485 逻辑地) 2 24 V 地线 (RS-485 逻辑地) 3 信号 B (RxD/TxD+) 4 RTS (TTL level) 5 地线 (RS-485 逻辑地) 6 （空） 7 24 V 电源 8 信号 A (RxD/TxD-) 9 通讯选择 S7-200 通讯端口（端口 0）与 RS-485 板卡或 RS-485/RS-232 转。换。器之 间接线，如下图所示： S7-200 编程及设置 要想实现 Modbus 通讯就要在 PLC 的主程。序模块中调用 Modbus 通讯子程 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计 12 序,在安装了“STEP 7-Micro/WIN 附件：指令库”后，在导航树“指令/库”下 面找到“Mod。bus Pro。tocol”。其下面有 MBUS_INIT 和 MBUS_SLAVE 两个子 程序，MBUS_INIT 可以对 Modbus 通讯进行初始化，MBUS_SLAVE 可以在指定端口 上提供 Modbus 从站通讯服务。 调用 Modbus 通讯初始化命令 首先为 MBUS_INIT 命令来建立一个触发条件（只触发一次），如： SM0.1；从导航树“指令/库/ Modbus Protocol”下面，将 MBUS_INIT 指令拉到 主程序块中。再就是如何正确地设置 MBUS_INIT 各项调用参数和执行结果输出 地址，我们来建如下图所示初始化调用： Mode:协议类型，1-Modbus 协议；0-PPI 协议。 Addr: PLC 地址，1247，。 Baud: 通讯波特率，1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600 或 11520。 Parity: 校验方式，0-无校验；1-奇数校验；2-偶数校验。 Delay:信息结束超时时间，032767,有线连接设置为 0 即可。 MaxIQ:0128,映射在离散输入寄存器或离散输出寄存器中的 I 或 Q 数。建 议为：128。 MaxAI:032；映射在模拟输入寄存器中 AIW 数；CPU 221 为 0，CPU 222 为 16，CPU 224、226 和 226XM 为 32。 MaxHold:V 内存映射在保持寄存器中的寄存器数。 HoldStart:V 内存的映射时的起始地址。 Done:初始化指完成时，输出为开状态；开关量（Bit）。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 13 Error:初始化错误代码，请参阅 Modbus 从机协议执行错误代码；输出为字 节。 调用 Modbus 从机通讯命令 初始化完成后，就可以来调用 Modbus 从机通讯命令（MBUS_SLAVE）了。一 般情况下来说 Modbus 从机通讯命令在每个执行周期都要初执行（始终保持通讯 状态），因此可以用一个常开量作为命令的触发条件，如：SM0.0 从导航树 “指令/库/ Modbus Protocol”下面，将 MBUS_SLAVE 指令拉到主程序块中。调 用过程如下图所示： Done: 当 MBUS_SLAVE 指令响。应对 Mod。bus 请求时，“Do。ne“为开状态。没通。 讯请求时“Done“为关。状。态。 Error:指。令执。行。结果。只有“Don。e“为开状。态时，此状。态有效。请参。阅 Modbus 从。机协。议执。行错。误代码；输。出为字节。 4.2.2 单片机程序设计 (1) 单片机初始化部分子程序 void init_serial comm(void) SCON=0x50; /* 串口工作方式 1， 允许接收*/ TMOD=0x20; PCON=0x00; /*SMOD=0*/ TH1=0xFD; /* 波特率为 9.6K*/ TL1=0xFD; IE=0x95; /* 开总中断， 开串口中断, 开外部中断 0, 开外部中断 1*/ ? (2) 单片机发送数据子程序 void send_data() interrupt 0 using 2 EX0=0; 基于 MODBUS 协议的单片机与 PLC 通讯的设计