【基于ModBus协议的现场总线仪表的探究与开发探究20000字（论文）】

基于ModBus协议的现场总线仪表的研究与开发研究摘要随着微电子技术的出现和发展，现场总线技术日益成为国内外仪表界的关注焦点。ModBus现场总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。随着现场总线技术的迅猛发展，传统的自动化仪表受到严重挑战，取而代之的将是具有开放性的现场总线仪表，基于ModBus协议的现场总线仪表的研究与开发具有非常现实的意义。基于现场总线技术的控制系统（Fieldcontrolsystem,FCS）最大的优点就是开放性，与传统控制系统比较，代表着技术发展的潮流。ModBus协议最早是应用于电子控制器上的一种通用语言，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。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。经过多年的发展，它已经成为一种通用的工业标准。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。通过实际运行表明，基于ModBus协议的现场总线仪表的稳定性、实时性以及精度都比传统仪表优越；基于ModBus现场总线仪表的控制系统在容错处理、数据交换、系统管理、抗环境干扰等方面都比传统仪表组成的系统功能强。关键词：Modbus协议；RS232串行数据；通信系统目录TOC\o"1-3"\h\u29055摘要 INET扩展的数据存储器映射如表3.5所示。其中0000h~7FFFh为片内数据存储空间，8000h~FFFFh为外部数据存储空间。表3.5数据存储器结构(5)联合测试行动组仿真接口电路TMS320LF2407包含一个专门的仿真口支持联合测试行动组JTAG(JointTestActionGroup)仿真测试，仿真器可直接访问该端口，实现程序下载、在线仿真等。系统中JTAG仿真口有Z4个管脚，其中EMUa和EMU:信号通过上拉电阻(推荐阻值为4.7K。或10KS2)后连接到+3.3V的电源上增强驱动，提供少于10us的信号上升时间，本系统选择10KS2的上拉电阻接到+3.3V的电源上以增强驱动。JTAG接口电路如图3.6所示。图3.6仿真接口电路3.2EVIEW触摸屏MT506TV介绍EVIEW触摸屏(触摸屏外观如图3.7所示)的基本工作原理:当用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，通过接口(如RS-232串行口)送到CPU中，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器和触摸检测装置两部分。其中，触摸屏控制器主要是从触摸点检测装置上接收触摸信息，然后把它转化成触点坐标，再送给CPU，同时接收来自的CPU的命令并执行此命令。触摸检测装置一般装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位置，并传给触摸屏控制器。AzaguryA,DolevD.HighlyAvailableCluster:ACaseStudy[J].IEEETrans.onComputer,2014,38(8):404-413EVIEW触摸屏MT506TV46是EasyView公司生产的高效能的32bit精简指令集(RISC),4线精密电阻网络型(表面硬度4H)工业触摸屏，其性能简介如表3.6所示。表3.6MT506TV46的性能简介类别名称触摸屏类型电阻式触摸屏处理器32位处理器显示器真彩色TFTLCD触控面板自带4线电阻式触控面板，可以实现实时状态监测和施工参数等设定通讯接口RS-232、RS-485通讯方式与多种PLC通讯，使用MODBUS协议与其他设备(如单片机、DSP等控制系统)通讯突出特点功能强大、使用方便、可靠性高、寿命长、性价比高等3.3系统串行通信接口的实现3.3.1系统串行通信接口电路设计本系统中，TMS320LF2407与触摸屏通过串口进行通信。上位机触摸屏从串行口向DSP发送MODBUS命令帧，下位机TMS320LF2407接收到命令帧后对MODBUS帧进行解析、执行和回应。TMS320LF2407芯片包含的串行通信接口模块—SCI模块带有与RS-232标准一致的异步串口(UART)，使TMS320LF2407可以很方便地与其它使用同一标准格式的异步外设之间进行通信。因此，本系统采用基于RS-232协议的串行通信方式来实现通信。由于从TMS320LF2407产生非TTL电平信号，故TMS320LF2407与标准的RS-232串行通信口连接前需要进行电平转换，本系统中采用典型的标准电平转换芯片——MAX232。该驱动芯片功耗低、集成度高、+5V供电，具有两个接收和发送通道。此外，由于TMS320LF2407的工作电压为+3.3V，而MAX232的工作电压为+5V，故需要在TMS320LF2407芯片与MAX232驱动芯片之间需要增加电平匹配电路。吴钦伟.新一代过程检测仪表与系统.过程检测仪表学会第三界年会论文.2015年(6)吴钦伟.新一代过程检测仪表与系统.过程检测仪表学会第三界年会论文.2015年(6)上位机和DSP构成的下位机都安装在工程车辆内，距离较近，但是由于存在较强电磁千扰性电器，其启动或切断会干扰到通信系统的传输，数据传输环境比较恶劣，为了进一步提高系统的抗干扰能力，保证上、下位机都可以及时、高速、安全的发送和回复相关报文，可以在TMS320LF2407芯片与MAX232芯片之间增加光祸隔离电路或者增加隔离转换器。由于MAX232工作电流较小，在此采用增加隔离转换器的方法来提高系统的抗干扰能力，本系统采用微型1W隔离转换器DCPO10505单独向MAX232供电。3.3.2串行通信口硬件连接MT506TV触摸屏上有RS-232和RS-485两种通信接口，考虑本系统仅限于车辆内部使用，传输距离较短，因此选用RS-232串行通信接口就可以满足通信要求，DSP与触摸屏的连接如图3.9所示。图3.9DSP与触摸屏MT506TV连线图4MODBUS协议在串行通信中的试验研究4.1异步串行通信串行通信分为同步通信和异步通信。本系统触摸屏支持异步串行通信，故选择异步串行通信作为本系统的通信方式。异步串行通信是指设备间使用两根数据信号线一位一位地进行数据传输，每一位数据占据一个固定的时间长度，这种通信方式使用的数据线比较少，成本低。异步传输模式(AsynchronousCommunicationsMode)的字节由起始位、数据位、校验位和结束位组成，如图4.1所示。图中，逻辑0(MARK)-3V~-15V，逻辑。(SPACE)=+3V~+15V}每帧数据(7位或8位)都包含一个高电压的起始位、一个低电压的结束位和一个校验位，而数据的传输波特率一般分为9600Bit/S,19200Bit/S,38400Bit/S或115200Bit/S等。图4.1异步传输模式字节的组成上位机和下位机双方通信的前提是必须对通信串口设置相同的起始位、数据位、结束位、波特率和奇偶校验等，另外必须有实体介面作为传输的媒介，将数据以非同步传输模式送出及接收。由于本系统中只用到RS-232标准，所以关于串口方面的分析和研究都是基于该标准的。目前，RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232以非平衡数据传输(UnbalancedDataTransmission)介面方式，该方式是以一根信号线相对于接地信号线的电压来表示一个逻辑状态Mark或Space，图4.2所示为RS-232的一个典型连接方式。图4.2RS-232典型的连接方式典型的RS-232接脚有9个，每个接脚定义如表4:1所示:表4.1RS-232接脚定义触摸屏MT506TV46的串口RS-232的接脚定义如表4.2所示。表4.2MT506TV46的RS-232接脚定义由于本系统中触摸屏与DSP之间实现双向通信，而且控制器为MCU，故可以忽略RTS和CTS接脚，本系统的串口连接方式如图4.3所示。图4.3本系统串口连接方式4.2TMS320LF2407的串行通信接口(SCI)4.2.1SCI模块的特性SCI(SerialCommunicationsInterface)是一个只用两根线与外部设备打交道的异步串行口。它支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有其单独的使能和中断标志位。为了确保数据的完整性，SCI对接收到的数据进行间断检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。通过一个I6位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为65535多种不同的方式。SCI模块的特性如表4.3所示：表4.3TMS3201f2407的SCI模块的特性4.2.2SCI的通信模式SCI异步通信格式使用单线(单路，即半双工)或双线(双路，即全双工)通信。在这种模式下，帧包括一个起始位、8个数据位、一个可选的奇偶校验位和1或2个停止位。每个数据占8个SCICLK周期。4.2.3SCI模块的寄存器地址串行通信接口(SCI）寄存器及地址见表4.4。表4.4串行通信口(SCI）寄存器及地址地址寄存器名称描述7050hSCICCRSCI通信控制寄存器定义SCI用的字符格式、协议和通信模式7051hSCITL1SCI控制器1控制RX/TX和接收器错误中断使能、TXWAKE和SLEEP功能、内部的时钟使能7052hSCIHBAUDSCI波特率选择寄存器，高8位保存产生波特率所需要的高8位数据7053hSCILBAUDSCI波特率选择寄存器，低8位保存产生波特率所需要的低8位数据7054hSCICTL2SCI控制器2包括发送器中断使能、接收器缓冲/间断中断使能、发送器准备标志和发送器空标志7055hSCIXSTSCI接收器状态寄存包括7个接收器状态标志7056hSCIRXEMUSCI仿真数据缓冲寄存器包括用于屏幕更新的数据，主要用于仿真器(不是一个真实的寄存器一仅仅是不清除RXRDY的情况下，为了读SCIRXBUF而存在的一个可替换的地址)7057hSCIRXBIIFSCI接收器数据缓冲包括来自接收器移位寄存器的当前数据705FHSCI优先级控制寄存器包括接收器和发送器中断优先级选择位和仿真器挂起使能位4.2.4SCI的端口中断SCI的接收器和发送器可以由中断控制。SCICTL2寄存器中有一个标志位(TXRDY)表示有效的中断条件，并且SCIRXST寄存器的两个中断标志RXRDY和BRKDT(由SCICTL2.I位控制)，再加上RXERROR中断标志(由SCICTLI.6位控制)。发送器和接收器有各自的中断使能位。当中断屏蔽时，中断不会产生。SCI的接收器和发送器有自己的独立的外设中断向量。外设中断请求可使用高优先级或低优先级，中断优先级由SCIPRI寄存器中位SCIPRLS和SCIPRL6编程来声明高优先级或低优先级。当接收(RX)和发送(TX)中断都设置为相同的优先级时，接收中断往往具有更高的优先级，这样可以减少接收超时错误。诸葛祥，现场总线应用规范和模型，2011年中国自动化学会仪表与装置专委会年会论文4.2.5SCI波特率计算内部产生的串行时钟由CPU频率和两个波特率选择寄存器决定。SCI使用16位的波特率选择寄存器来选择64K种不同的串行时钟频率中的一种。SCI波特率选择寄存器为SCIHBAUD和SCILAUD，前者为高位字节，后者为低位字节，两者连接在一起形成一个16位的波特率值，用BRR表示。内部产生的串行时钟由CLKOUT信号和两个波特率选择寄存器所决定。SCI波特率可用如下方程来计算:上适用于1<BRR<65536的情况，如果BRR=0，则波特率的计算公式如下：一般的SCI位速度的波特率选择值为2400,4$00,9600,19200,38400，本文选择9600作为SCI波特率。对于TMS320LF2407ADSP的CPU时钟频率为40MHz，利用公式4.2计算所得BRR=520(208h)。4.3MODBUS协议在本系统中的应用为了在同样的波特率下获得更高的传输速率，本系统采用MODBUSRTU模式以异步全双工方式通信，触摸屏作上位机(主机)，DSPMCU作下位机(从机)，由触摸屏发起查询，从机在接收到主机请求后对主机发送的MODBUS帧进行解析并作出相应的回应。4.3.1系统物理层传输接口:RS-232通信地址:主站地址为0，从站地址为通信波特率:9600bps通信介质:屏蔽双绞线4.3.2系统数据链路层（1）传输方式:异步全双工方式;(2)数据帧格式:1个起始位、8个数据位、1个停止位(3)代码系统:8位二进制，十六进制数0…9,A…F，消息中每个8位域都是一个两个十六进制字符组成;(4)数据包格式地址(Address)功能码(Function)数据(Data)校验码(CRC)8bits8bits8bits16bits注:①数据包的发送序列总是相同的一地址、功能码、数据及其相应校验码。②每个数据包必须作为一个连续的位流传输。(5)地址域:在数据包的开始部分，由一个8bit数据组成。可能的从站设备地址在1…247。本系统中只有一个从站，故在地址域只能收到一个从站地址。(6)功能域:告诉从站执行何种功能，MT506TV46支持的MODBUS功能码见表4.5。表4.5MT506TV支持的MODBUS功能码(7)数据域:包含从站执行特定功能或响应查询时所需的或采集到的数据。(8)校验域:包含主站或从站CRC校验传输数据时形成的16bits校验码值。4.3.3系统应用层MT5.06TV46是成型产品，故在应用层已经隐含了一套完整的特定有效命令的通用格式。不过，它与DSP通信的案例较少，下面对其与DSP通信时常用的几种不同功能码所发送的具体的MODBUS帧格式及其回应报文作下介绍。下面给出几个常用功能码(Ol,O5,03,10功能码)的查询与响应范例。(1)01功能码:读取输出状态的当前状态(ON/OFF)如:OX017，OXO18，……，OX0325基于MODBUS协议的通信程序设计5.1MODBUS协议的主从编程策略MODBUS通信协议要求区分设备的主从，本文将触摸屏作为主设备，即通信上位机；TMS320F2812作为从设备，即通信下位机；一切通信由触摸屏发起，DSP采用中断接收方式响应触摸屏发起的通信，非通信情况下DSP可以做其他更多的工作.当触摸屏有命令发给DSP时，将触发DSP接收中断。DSP程序进入中断服务程序（ISR），将串口芯片接收端FIFO中的数据读出.在一个完整的命令帧读完以后（MODBUSRTU协议要求帧与帧之间有至少4个字符的时间间隔，可以作为帧结束标志），DSP程序才对触摸屏发送过来的命令进行处理.首先进行CRC校验，如果CRC校验出错，则DSP不响应触摸屏的查询，则此次命令无效，DSP不回送任何信息；吴楠.增强型并行口EPP协议及其在监控节点中的应用.中国单片机公共实验室吴楠.增强型并行口EPP协议及其在监控节点中的应用.中国单片机公共实验室表5.1触摸屏读DSP寄存器的MODBUSRTU命令格式设备地址功能代码第一个读寄存器的高位地址第一个读寄存器的低位地址02030000读寄存器的数量高位读寄存器的数量高位CRC校验码（16位）0010XXXX此指令的含义是从DSP中读寄存器0000H后的16个寄存器的内容到触摸屏存储器。MODBUSRTU帧的第1个字节为从设备DSP站号02H，第2个字节为读N个寄存器功能代码03H，第3、4字节为读N个寄存器的首地址，第5、6字节为读寄存器的数量N，第7、8个字节为校验码。DSP收到此指令后如果校验正确并且站号匹配，将会回送数据，格式如表5.2所示。表5.2DSP回送的MODBUSRTU数据帧格式设备地址功能代码读寄存器的长度读数据1数据2020320X1X2…数据31数据32CRC校验码（16位）…X31X32XXXX回应帧的第1个字节为从设备DSP站号02H，第2个字节为读N个寄存器功能代码03H，第3个字节为读取的字节数（寄存器数乘以2），从第4个字节开始到第35个字节为要读取的16个寄存器数据，发送帧的最后两个字节为CRC校验码。5.2主站触摸屏编程TP系列触摸屏支持MODBUS协议，TP系列触摸屏的界面编辑软件为TOUCHWIN，利用该软件设计触摸屏界面时，界面上的各元件对象属性均需要设置该元件读取或输出数据的设备类型和设备地址.设备类型为触摸屏PLC口和Download下载口或DSP的站号，触摸屏站号固定为0，DSP站号设为2.设备地址是被操作的数据在PLC或DSP中的具体地址。在TP760-T触摸屏与DSP基于MODBUSRTU协议通讯的情况下，设备类型需要设置PLC口和Download下载口，PLC口设置为MODBUSRTU（显示器为Mas－ter），Download下载口设置为不使用Download口。徐良贤.计算机网络与互联网.北京.电子工业出版社.2011，NO.1:23-25TP760-T触摸屏内部对象有PSW、PFW、PSB3种。PSW表示非停电保持字对象，对象范围为PSW256~PSW1023；PFW表示停电保持字对象，对象范围为PFW256~PFW1023；PSB表示非停电保持位对象，对象范围为PSB256~PSB1023.TP760-T触摸屏外部对象有4x、0x两种。4x表示触摸屏要读写的外部寄存器对象，对象范围为0～65535；0x表示触摸屏要读写的外部位地址，对象范围为0～65535。对于本系统中的从设备DSP，所有的操作都通过对DSP寄存器读写来完成，因此只需用到4x。5.3从站TMS320F2812编程TMS320F2812与TP760-T触摸屏之间的通信只用了TMS320F2812异步串行SCI，该串口接收数据采用中断方式，发送数据采用查询方式.按照MODBUS协议要求系统中采用TMS320F2812内部定时器（Timer0）来判断帧的起始和结束，以防止出现一个消息帧接收/发送不完整而影响到下一帧的继续接收和发送.如果检测到4个或更多的传输字符的停顿时间，就设定帧的起始标志.在接收／发送帧的过程中如检测到2个传输字符的停顿时间，就重新刷新帧的起始标志，如检测到4个传输字符的停顿时间，就设定帧的结束标志，当主程序检测到消息帧的结束标志时，调用CRC校验子程序.并检验设备地址是否正确和接收字节数目是否大于或等于最小值，以此来判断接收到的信息帧的有效性.如果CRC校验出错，TMS320F2812不响应触摸屏请求，则此次请求无效，TMS320F2812继续等待.如果触摸屏长时间没有接收到TMS320F2812的反馈信息，这时触摸屏可以选择重发上一条命令或查询TMS320F2812工作状态命令查看TMS320F2812的运行状态.这样做的优点是便于检验和纠错，使系统运行更加稳定.为保证可靠通信，TMS320F2812从站通信程序包括SCI串口程序和MODBUS协议实现程序。MODBUS协议程序包括协议初始化程序、接收帧CRC校验程序、MODBUS协议帧解析与应答帧构造程序，协议应答帧构造程序包括读TMS320F2812寄存器（03号功能）应答帧构造程序、写单个TMS320F2812寄存器（06号功能）应答帧构造程序及写多个TMS320F2812寄存器（16号功能）应答帧构造程序。本文定义一个传输控制块STCB来保存TCP的状态信息，该结构体定义如下:typedefstructSTCB{structSTCBDATA*pNext;BYTETCPState;/*连接标识*/WORDPortScr;WORDPortDest;IPADDRIPScrIPADDRIPDest;DWORDDWORDSeqMine;SeqHis;/*希望接收的数据包序列号*/WORDWndMine;WORDWndHis;WORDRetranTimer;/*重传计时器’/BYTERetranTimes;/*重传次数*/BOOLbNeedAck;/*是否需要发送确认分组*/WORDDelayAckTimer;/*延时确认计时器*/WORDLastAckTimer;/*最后确认计时器*/void(CODE*accept)(structSTCBDATA*pNewTCB);void(CODE*recv)(voidDATA*buf,WORDsize)void(CODE*close)(structSTCBDATA*pSocket)}socketTCP初始化函数voidTcp_Initial()，关闭所有TCP连接，/*回调函数*对结构体数组TcpStatus[MAXTCPLINKS]的单元和信号量进行初始化。TMS320F2812的SCI模块与TP760-T通信之前要初始化,初始化内容包括串行数据格式、通信波特率以及中断使能等，可通过设置相关的寄存器实现.初始化后进行从MODBUS协议程序设计，主要思想是利用SCI串行口中断方式接收触摸屏发出的MOD－BUS协议命令帧后，进行MODBUS协议帧解析，然后根据帧解析结果构造相应的MODBUS发送协议帧，最后采用SCI串行口查询方式进行帧发送完成一次通信。李嘉等.引入以太网技术是现场总线技术发展的必然趋势.自动化仪表.2011，NO.11:61-66李嘉等.引入以太网技术是现场总线技术发展的必然趋势.自动化仪表.2011，NO.11:61-66图5.1MODBUS协议命令帧接收子程序流程图图5.2MODBUS协议命令帧发送子程序流程图限于篇幅，本文仅给出部分MODBUS协议通信程序代码如下：#defineRECE_START0x01//收到起始位，等待结束位#defineRECE_END0x02//收到结束位，等待发送#defineSEND_START0x03//发送起始位#defineSEND_END0x04//发送完毕ModbusModule.Status=RECE_END；//初始态While（1）{Uint16i=0；switch（ModbusModule.Status）{caseSEND_START：//3for（i=ModbusModule.TxLen；i>=1；i--）{SciaRegs.SCITXBUF=ModbusModule.Buf[ModbusMod－ule.Point++]；while（SciaTx_Ready（）==0）；//等待单字节发送完成}//等待帧发送完毕ModbusModule.Status=SEND_END；break；caseRECE_START：//1asm（“nop”）；break；caseRECE_END：//2if（（RTUSlaveFrameAnalyse（WRData））==0）{//帧解析正确ModbusModule.Status=SEND_START；}unsignedintCRC16(unsignedchar*puehMsg,unsignedcharusDataLen){unsignedcharuchCRCHi=OxFF;//CRCl6位寄存器高位字节初始化unsignedcharuchCRCLo=OxFF;//CRC16位寄存器低位字节初始化unsignedintuIndex;//定义CRC循环中的数据表索引while(usDataLen--)//传输数据缓冲区数据{uIndex=uchCRCHi^*puchMsg++;uchCRCHi=uchCRCLo^auchCRCHi[uIndex];uchCRCLo=auchCRCLo[ulndex];//计算CRC}return((unsignedint)uchCRCLo+g}uchCRCHi);//返回CRC码，先低字节后高字节}else{//帧解析不正确ModbusModule.Status=SEND_END；}break；}}本文中触摸屏为主机，DSP为从机，通信必须由触摸屏发起，所以通信状态初态设为RECE_END。DSP程序运行时，只要触摸屏有通信请求就会触发DSP接收中断；DSP对触摸屏发送命令进行帧解析，若解析正确则设置通信状态为SEND_START，再根据接收到的命令进行相应帧构造并发送，发送结束后设置通信状态为SEND_END并退出本次通信；若帧解析不正确则直接设置通信状态为SEND_END并退出本次通信。6结束语本文以微控制器DSP和触摸屏的人机接口为对象，触摸屏MT506TV46作上位机(主机)，DSP作下位机(从机)，基于MODBUS协议，对触摸屏和DSP之间的通信进行了研究，并在此基础上，通过对DSP硬件和软件进行了设计，完成了一套人机接口系统。利用MODBUS协议中几个常用的功能码实现触摸屏和DSP之间的通信。本文所做的工作及得出的结论主要包括以下几个方面:提出了基于MODBUS协议的DSP与触摸屏组成的人机接口通信方案;通过试验证实由TMS320LF2407所搭建的DSP系统和各控制电路可以满足本试验基于MODBUS协议通信的具体要求;试验分析了MODBUS常用功能码发送及回应过程，并得出通信过程中MODBUS帧的基本传输规律;CCS环境下，验证了DSP端编写的基于MODBUSRTU协议的异步串行通信接口程序可以正常运行;试验通信系统中软、硬件的调试成功，即DSP控制器系统与触摸屏之间正常通信，证实了以DSP为控制器的系统可以通过MODBUS协议与人机界面进行通信。参考文献[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京.清华大学出版社.2013年[2]潘东尼·托尼·皮脱.现场总线新发展概貌.过程检测控制仪.2014:NO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