基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PLC之間的通訊

關(guān)鍵詞： 可編程控制器   Modbus   通訊協(xié)議

1  引言
    HMI(人機(jī)界面)以其體積小，高性能，強(qiáng)實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備中。它有字母、漢字、圖形和圖片等不同的顯示，界面簡(jiǎn)單友好。配有長(zhǎng)壽命的薄膜按鈕鍵盤，操作簡(jiǎn)單。它一般采用具有集成度高、速度快、高可靠且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)[1]作為其核心控制器，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速處理。 PLC和單片機(jī)結(jié)合不僅可以提PLC的數(shù)據(jù)處理能力，還可以給用戶帶來友好簡(jiǎn)潔的界面。本文以Modbus通訊協(xié)議為例，詳細(xì)討論了一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)中，如何用C51實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PLC之間通訊的實(shí)例。

2  Modbus通訊協(xié)議[4]
    Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。

    Modbus協(xié)議提供了主—從原則，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備查詢的格式:設(shè)備地址(或廣播，此時(shí)不需要回應(yīng))、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息包括確認(rèn)地址、功能碼、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

    控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式:ASCII和RTU，在同樣的波特率下，RTU可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)，所以采用KTU模式。

(1) 典型的RTU消息幀
典型的RTU消息幀如表1所示。

    RTU消息幀的地址域包含8bit。可能的從設(shè)備地址是0...127(十進(jìn)制)。其中地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。

    RTU消息幀中的功能代碼域包含了8bits，當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為;當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來指示是正?；貞?yīng)(無誤)還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生(稱作異議回應(yīng)，一般是將功能碼的最高位由0改為1)。

    從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息:從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的行為。這包括了像不連續(xù)的寄存器地址，要處理項(xiàng)的數(shù)目，域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來判斷采取下一步行動(dòng)。

    當(dāng)選用RTU模式作字符幀時(shí)，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一16Bits值(用兩個(gè)8位的字符來實(shí)現(xiàn))。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)(CRC)方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時(shí)先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。

(2) 所有的Modbus功能碼
Modbus的功能碼定義如表2所示。

3  常用功能通訊程序的設(shè)計(jì)[5]
    本文介紹了幾個(gè)Modbus常用功能程序的設(shè)計(jì)。筆者采用單片機(jī)作為主機(jī)，在單片機(jī)上編寫程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與PLC之間的通訊。由單片機(jī)向PLC發(fā)出命令信息，PLC自動(dòng)作出回應(yīng)。PLC通過單片機(jī)的串行通訊口通訊，程序用C51實(shí)現(xiàn)。程序的子函數(shù)及其功能:

(1) 串口初始化
void ProtocolInit(void)
函數(shù)功能:串口設(shè)置為異步通訊方式1(起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位);定時(shí)/計(jì)數(shù)器1設(shè)置為波特率發(fā)生器，通訊速率 9600bps;開串行中斷，并把串行中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。

(2) CRC簡(jiǎn)單函數(shù)
unsigned char Crc16(unsigned char *puchMsg, unsigned char usDataLen)
函數(shù)功能:先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或 (OR)，結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測(cè)，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過程要重復(fù)8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的 CRC值。

(3) 初始化變量
void Initvar(void)
函數(shù)功能:初始化所有過程變量。

(4) 串行中斷服務(wù)程序
void ProtocolSerialProcess(void) interrupt 4 using 2   
函數(shù)功能:發(fā)送中斷發(fā)送主機(jī)形成的命令數(shù)組，發(fā)送完后置標(biāo)志位;接收中斷接收PLC返回的響應(yīng)數(shù)組，存入接收數(shù)組，并置標(biāo)志位，且假設(shè)響應(yīng)正確，留待主機(jī)處理。

(5) 讀N個(gè)位變量(線圈)
void ProtocolRead_bit(unsigned char DeviceAddr/* PLC局號(hào)*/, unsigned char RegType/*寄存器類型*/, unsigned int BitAddr/*起始地址*/, unsigned char SubAddr/*子地址*/, unsigned int BitNum/*位數(shù)*/)
函數(shù)功能:根據(jù)函數(shù)參數(shù)，形成讀N個(gè)位變量的命令數(shù)組，啟動(dòng)發(fā)送。等待發(fā)送完并接收完(如超時(shí)未接收完則重新發(fā)送)。分析接收數(shù)組:正確，保存讀取的數(shù)據(jù);錯(cuò)誤，重新發(fā)送。

(6) 寫一個(gè)位變量
void ProtocolSetBit(unsigned char DeviceAddr/* PLC局號(hào)*/, unsigned char RegType/*寄存器類型*/, unsigned int BitAddr/*地址*/, unsigned char SubAddr/*子地址*/, unsigned int ClrSet/*寫值“1”或“0”*/)
函數(shù)功能:根據(jù)函數(shù)參數(shù)，形成置某位變量為“1”或“0”的命令數(shù)組，啟動(dòng)發(fā)送。等待發(fā)送完并接收完(如超時(shí)未接收完則重新發(fā)送)。分析接收數(shù)組:正確，返回;錯(cuò)誤，重新發(fā)送。    

(7) 讀N個(gè)字節(jié)變量
void ProtocolReadByte(unsigned char DeviceAddr/* PLC局號(hào)*/, unsigned char RegType/*寄存器類型*/, unsigned int RegAddr/*起始地址*/, unsigned char SubAddr/*子地址*/, unsigned int RegNum/*個(gè)數(shù)*/)
函數(shù)功能:根據(jù)函數(shù)參數(shù)，形成讀N個(gè)字節(jié)變量的命令數(shù)組，啟動(dòng)發(fā)送。等待發(fā)送完并接收完(如超時(shí)未接收完則重新發(fā)送)。分析接收數(shù)組:正確，保存讀取的數(shù)據(jù);錯(cuò)誤，重新發(fā)送。

(8) 寫N個(gè)字節(jié)變量
void ProtocolSetByte(unsigned char DeviceAddr/* PLC局號(hào)*/, unsigned char RegType/*寄存器類型*/, unsigned int RegAddr/*起始地址*/, unsigned char SubAddr/*子地址*/, unsigned int RegNum/*個(gè)數(shù)*/)
函數(shù)功能:根據(jù)函數(shù)參數(shù)，形成寫N個(gè)字變量的命令數(shù)組(要寫的數(shù)從某參數(shù)數(shù)組中讀取)，啟動(dòng)發(fā)送。等待發(fā)送完并接收完(如超時(shí)未接收完則重新發(fā)送)。分析接收數(shù)組:正確，返回;錯(cuò)誤，重新發(fā)送。

4  結(jié)束語
    以上的程序已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于實(shí)際的人機(jī)系統(tǒng)中。依照類似的方法，可以編寫其他不同功能的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的不同控制和操作。利用單片機(jī)和PLC進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以組成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的工業(yè)控制系統(tǒng)。另外整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)程序用C51語言編程，程序簡(jiǎn)潔，便于閱讀與調(diào)試。單片機(jī)和人機(jī)界面結(jié)合可以實(shí)時(shí)的顯示PLC的工作狀況，實(shí)時(shí)的控制、設(shè)置、調(diào)整PLC工作情況，提高工業(yè)控制的自動(dòng)化程度和實(shí)時(shí)性。