基于Modbus通信协议的电力参数采集显示系统.doc

电子测量与仪器学报 2006年增刊 基于Modbus通信协议的电力参数采集显示系统 郭永伟 崔金钟 （电子科技大学，成都 610054） 摘 要: Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。本文介绍了Modbus 通信协议的技术特点，详细阐述了基于Modbus RTU规约的电力参数采集显示系统的软硬件组成和实现。实践证明，此系统具有运行可靠、成本低、扩展性好的优点。 关键字:Modbus通信协议 数据采集 监控系统 CRC校验 An Electric Parameter Acquisition and Monitoring System Based on Modbus Protocol GuoYongwei Cui Jinzhong （University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China） Abstract: Modbus protocol is a common language applied to the electronic controller.This paper introduces technical features of Modbus communication protocol. It interprets hardware composing & software developing of electric parameter acquisition and monitoring system based on modbus RTU protocol. Practice has proved that this system is reliable, low-cost and high-expansionary. Keywords: Modbus protocol; Data acquisition;Monitoring system; CRC calibration 1 引言 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 2 Modbus通信协议 2.1 概述 Modbus 通信协议是工业控制网络中用于对自控设备进行访问控制的主从式通信协议，由Modicon 公司开发，在工业控制中得到广泛应用。 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 它有以下特点：物理接口符合EIA485 规范；组成主从访问的单主控制网络；通过简单的通信报文完成对从节点的读写操作；通信速率可达19.2kbps；在主节点轮询即逐一单独访问从节点时，要求从节点返回一个应答信息；主节点也可以对网段上所有的从节点进行广播通信。 控制器通信使用主-从技术，即仅一台设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。 2.2传输方式 控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，同一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。 ASCII（美国标准信息交换代码）模式：在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。 RTU（远程终端单元）模式：在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。 2.3 Modbus消息帧 本电流采集显示系统使用的是RTU 传输模式，故重点介绍RTU消息帧。 一个采用RTU 格式的Modbus 通信协议的消息帧格式如表1 所示。消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0.9,A.F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。 表1 Modbus 通信协议的RTU消息帧格式 起始位 设备地址 功能代码 数据域 CRC校验 结束符 T1-T2-T3-T4 8Bit 8Bit n个8Bit 16Bit T1-T2-T3-T4 2.4 错误检测方法 标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。 使用RTU模式时，消息包括一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测整个消息的内容。它由传输设备计算后加人到消息中，接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。 3 系统硬件设备实现 电力参数采集显示系统用于采集厂房各项电气运行参数，如电流、电压、功率、功率因数、频率等，由中心站和现地采集单元组成。 中心站的MCU采用美国德州Cygnal公司的C8051F020（简称F020），它是完全集成的混合信号SOC型8位微控制器，具有高达25MIPS的速度，以及强大的控制功能。LCD采用的是OCMJ(奥可拉中文集成模块)D系列液晶显示器OCMJ15X20D（320x240 点阵）。 现地采集单元采用的是西安浐河自动化工程有限公司的电力参数采集模块CH2000M、开关量采集模块CH4000D以及丹东华通测控有限公司的多路电流采集单元PDM-800A。 从F020引出两个串口：通过串口0与机房中的PC通信，此时PC是Master端；通过串口1与各采集单元进行通信，此时C8051F020是Master端。通信均遵从Modbus RTU协议。如图1所示，采用这种系统结构方式的优点是，当某台采集单元出现故障时，不会影响其它采集单元正常工作，从而提高了系统的可靠性和扩展性。 图1 电流采集系统的硬件架构 4 系统的软件设计 4.1 概述 软件开发环境使用Keil uVision2，支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体。系统程序流程图如图2所示，可分为以下模块： 1) LCD驱动 2) 显示模块 3) 串口通信 4) 数据采集（Modbus协议） 5) EEPROM驱动 6) 实时时钟 7) 与PC通信 串口通信模块需提供设置串口波特率和奇偶检验的接口函数，以设置为同采集单元一致。与PC通信部分也要遵从Modbus协议（从设备），以提供扩展性。 在采集数据和分析模块中，需要注意的地方是从CH4000D和PDM-800A采回的数据与支路之间的关系。程序应先通过读取各个CH4000D接入的空气开关个数和空气开关的位置，再根据采回的数据判断某个空气开关的状态。PDM-800A也是如此进行判断。本文将重点介绍与Modbus协议有关的数据采集部分。 图2系统主函数执行流程图 4.2数据采集模块分析（Modbus协议） 例如:系统要求获得CH2000M测得的A相实时电压Ua的数据，在本系统中CH2000M采集模块的地址码为01H，CH2000M定义存放Ua数据的寄存器地址为0000H。 中心站发送的读取命令格式如下: O1 03 00 00 00 01 84 0A (16进制) 其中:O1从机地址 03功能码，即从保持寄存器读数据 0000读取数据的起始地址，即Ua的地址 0001读取数据组数，A相实时电压1组数据 840ACRC校验码，由多项式X16+X15+X2+1同数据帧O1 03 00 00 00 01计算获得 MODBUS协议CRC码生成子程序： void calccrc(UINT8 crcbuf) UINT8 i; UINT8 TT; crc=crc crcbuf; for(i=0;i1; crc=crc&0x7FFF; if (TT=1) crc=crc0xA001; crc=crc&0xFFFF; 通过串口发送读取设备的命令，功能码03： Data_Transmit(UINT8 devaddr,UINT16 regaddr,UINT8 regnum) UINT16 count; UINT8 j; WriteBuf0=devaddr; WriteBuf1=3; WriteBuf2=regaddr8; WriteBuf3=regaddr; WriteBuf4=0; WriteBuf5=regnum; crc=0xffff; calccrc(WriteBuf0); calccrc(WriteBuf1); calccrc(WriteBuf2); calccrc(WriteBuf3); calccrc(WriteBuf4); calccrc(WriteBuf5); WriteBuf6=crc & 0xff; WriteBuf7=crc/0x100; j=0; do delay(4); /空闲 = 4个字节的时间 count=writeCom(Com1, WriteBuf, 8); delay(4); /空闲 = 4个字节的时间 j+; while(count!=8 & j255); 5 结语 Modbus 通信协议是一个事实上的工业标准，具有开放性、易实现、扩展性好、用户范围广等优点。本文基于Modbus协议的三相电流采集显示系统在四川电信的应用表明，系统具有性能价格比高、运行可靠、扩展性好、使用方便的特点。系统对电力工程及其它行业的采集系统建设具有很好的应用参考价值。 参考文献： 1 Modicon Inc,Modicon Modbus Protocol Reference Guide,PI-MBUS-300 Rev.J. 2 吴学文,王新光,周金陵,基于Modbus通信协议的水闸计算机监控系统J,计算机工程,2005(13). 3 陆敏,李振海,艾木拉江,Modbus通信协议在电量采集系统中的应用J,水利水文自动化,2004(1). 4 徐爱钧,彭秀华,Keil