基于ARM Cortex-M3的MODBUS協(xié)議實現(xiàn)及其應(yīng)用

摘要 針對變頻器通信應(yīng)用，介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成；設(shè)計了RS485電路接口；并以ARMCortex-M3微控制器為核心，設(shè)計了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)方案。針對變頻器F2000-G開發(fā)了嵌入式系統(tǒng)．實現(xiàn)變頻調(diào)速功能，應(yīng)用于無損檢測試驗儀。
關(guān)鍵詞 MODBUS；RS485；ARM Cortex-M3；變頻調(diào)速；嵌入式系統(tǒng)

    漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術(shù)，其具有檢測速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實現(xiàn)自動化等特點，是鋼軌探傷技術(shù)的重點研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題，研制了基于嵌入式系統(tǒng)的無損探傷試驗儀，通過實現(xiàn)MODBUS協(xié)議與變頻器通信，以此驅(qū)動交流電機與機械試驗裝置，完成運動控制并進行無損探傷試驗。
    針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題，依據(jù)MODBUS協(xié)議規(guī)定，利用RealView MDK開發(fā)了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件，實現(xiàn)了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調(diào)速的運動控制功能。

1 MODBUS協(xié)議
1．1 MODBOS協(xié)議簡介
    MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協(xié)議商標(biāo)，該協(xié)議具有糾錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點，是工業(yè)自動控制領(lǐng)域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業(yè)自動化領(lǐng)域的一種國家標(biāo)準(zhǔn)。
    MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能識別的消息結(jié)構(gòu)，它描述了控制器請求訪問和應(yīng)答回應(yīng)其他設(shè)備的過程，以及錯誤檢測和記錄的規(guī)范，制定了報文字段和內(nèi)容的公共格式。MODBUS屬于應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，其通信結(jié)構(gòu)為一對多的主從查詢模式，即主從Master-Slave模式。  MODBUS網(wǎng)絡(luò)上可以有多個從節(jié)點，但有且只能有一個主節(jié)點，主節(jié)點按照通信協(xié)議對從節(jié)點發(fā)出請求操作，從設(shè)備收到主節(jié)點的請求后，做出相應(yīng)的響應(yīng)再向主節(jié)點回復(fù)應(yīng)答消息。
1．2 MODBOS協(xié)議組成
    MODBUS協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數(shù)據(jù)以ASCH字符碼表示，通過冒號、回車字符判定數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束，采用IRC數(shù)據(jù)檢驗；RTU模式中數(shù)據(jù)以非壓縮BCD碼表示，通過時間標(biāo)記實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀起始判定，采用CRC數(shù)據(jù)校驗，具有數(shù)據(jù)吞吐量高、傳輸穩(wěn)定、通信效率高的優(yōu)點。
    由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高、時間管理嚴(yán)格的RTU傳輸模式。在協(xié)議幀組成上，MODBUS定義了一個基本的，與通信層無關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU(Protocol Data Unit)，并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數(shù)據(jù)幀，MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成如表1所示。

    在數(shù)據(jù)幀起始判定上，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標(biāo)記方法，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發(fā)送3．5個字符的時間，該時間稱為T3.5。

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    在MODBUS數(shù)據(jù)幀中，功能碼是指主節(jié)點對從節(jié)點的請求操作類型，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。

    MODBUS RTU采用循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼，編碼簡單且誤判概率很低，在串行通信、以太網(wǎng)、MPEG解碼等通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在通信過程中，發(fā)送方用待發(fā)送數(shù)據(jù)除以一個收發(fā)雙方約定的生成多項式，將得到余數(shù)作為CRC校驗多項式，附加在待發(fā)送數(shù)據(jù)尾部作為一個整體發(fā)送給接收方。接收方將收到的數(shù)據(jù)同樣除以生成多項式，若余數(shù)為零剛傳輸正常，若余數(shù)不為零則傳輸出錯。

2 電路連接及硬件參數(shù)
    在無損探傷試驗儀中，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心，而變頻器采用了煙臺惠豐公司的F2000-G矢量變頻酪。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000-G相連，按照MODBUS協(xié)議與之通信，實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制功能。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx連接到MAX3485的RO、DI以進行RS232的數(shù)據(jù)收發(fā)；STM32F103ZET6的GPI01以I ／O模式與MAX3485的接收使能端RE、發(fā)送使能端DE相連，對RS485半雙工總線的通信方向進行統(tǒng)一控制；而MAX3485的差分信號端A、B則通過插座與F2000-G相連，同時為保證通信質(zhì)量，消除總線上的信號反射，需在RS485網(wǎng)絡(luò)終端的差分總線間串聯(lián)50 Ω的電阻R1。

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    在外設(shè)初始過程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信參數(shù)為：波特率9 600 kb·s-1，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無奇偶校驗；其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用時間標(biāo)記的方式進行協(xié)議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應(yīng)用通常取4個字符發(fā)送時間，因此設(shè)置TIM2的溢出時間為3 ms；最后，為處理可能的總線延遲等通信故障，本文使用了系統(tǒng)定時器SysTick作超時判定，綜合考慮到變頻器動作時間、通信延遲等因素，超時判定的時間閾值取200 ms。

3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)
    在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，STM32F103ZET6作為主節(jié)點負(fù)責(zé)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點負(fù)責(zé)響應(yīng)主節(jié)點的請求，完成對交流電機的運動控制。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點程序?qū)崿F(xiàn)，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數(shù)據(jù)幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。
3．1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送
    發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將請求操作封裝成標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議幀才能成功進行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機的地址，再將CR-C16校驗值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU。
    MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗，按照循環(huán)冗余檢驗算法，使用標(biāo)準(zhǔn)16位生成多項式，可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼。其程序流程可描述如下：
    (1)初始化一個16位寄存器，所有位進行置1。
    (2)該16位寄存器與待校驗數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進行異或，結(jié)果存回該寄存器。
    (3)該16位寄存器右移一位。
    (4)若該寄存器右移移出位為1，則與校驗多項式0A001H異或，否則重復(fù)步驟3。
    (5)重復(fù)步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢。
    (6)取數(shù)據(jù)串中下一個數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進行異或結(jié)果存回寄存器。
    (7)重復(fù)步驟3～步驟6，直到待校驗數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢。
    (8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗結(jié)果，加至數(shù)據(jù)幀末端。
    因為STM32F103ZET6芯片內(nèi)USART3無硬件FIFO的特點，所以需要軟件上使用隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進行串行口的收發(fā)任務(wù)。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊列的出隊操作；而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應(yīng)函數(shù)中，軟件按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi)，即隊列的入隊操作。
3．2 數(shù)據(jù)幀接收
    在發(fā)送完請求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應(yīng)答幀的接收。
    由于MODBUS RTU應(yīng)答幀判定采取了時間標(biāo)記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進行時間管理。在接收過程中，USART3每次接收中斷對TM2進行復(fù)位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當(dāng)總線空閑了3．5個字符的發(fā)送時間后，TM2由于缺少USART3的復(fù)位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應(yīng)中完成關(guān)閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應(yīng)答幀接收完成標(biāo)志位的操作。這種時間標(biāo)記的程序均在后臺中斷中完成，主程序只需查詢接收完成標(biāo)志位即可。
    另一方面，由于從節(jié)點F2000-G可能存在著超時、無應(yīng)答等通信故障，這就需要主節(jié)點STM32F103ZET6進行超時檢測。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統(tǒng)定時器，在芯片啟動后就以后臺方式運行，按ms計時并實時更新系統(tǒng)時間。因此在MODBUS RTU的超時判斷中，主程序可以利用該時鐘，循環(huán)地查詢當(dāng)前時刻，并和發(fā)送完請求幀的起始時刻比較，若閾值時間200 ms內(nèi)仍然未收到請求幀，則認(rèn)為通信失敗，返回應(yīng)答超時碼。
3．3 數(shù)據(jù)幀處理
    在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎(chǔ)上，STM32F0103ZET6必須進行應(yīng)答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應(yīng)答幀。首先提取ADU進行地址碼和CRC校驗碼的判定；其次，再從PDU中提取ADU進行數(shù)據(jù)長度、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定；最后，如果校驗失敗則返回相應(yīng)的校驗失敗碼，若校驗成功，則繼續(xù)從ADU／PDU中提取的數(shù)據(jù)進行處理，完成變頻調(diào)速的各種功能操作。最終，整個協(xié)議實現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。[!--empirenews.page--]

4 嵌入式變頻調(diào)速系統(tǒng)
    利用MODBUS協(xié)議，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，例如目標(biāo)頻率設(shè)置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數(shù)功能如表3所示。

    在實際應(yīng)用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實現(xiàn)人機交互，根據(jù)用戶輸入實現(xiàn)對交流電機的變頻調(diào)速操作。例如，欲啟動電機進行無損探傷試驗時，程序?qū)2000-G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H，啟動電機正轉(zhuǎn)運行。通信記錄如下，主節(jié)點STM32F103ZET6啟動變頻器發(fā)送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果從節(jié)點F2000-G操作正常則應(yīng)答：01 06 20 00 00 01 43 CA。
    當(dāng)STM32F103ZET6正確讀取完應(yīng)答幀，并通過校驗后，即可判斷變頻器已成功啟動交流電機，機械試驗系統(tǒng)開始運行并逐步加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語
    以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網(wǎng)絡(luò)。軟件部分介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成，分析了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)原理，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的工作特點實現(xiàn)了該協(xié)議的編程?；?strong>MODBUS協(xié)議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實現(xiàn)了對機電試驗裝置的變頻調(diào)速控制。實踐表明，該系統(tǒng)性能可靠、通信穩(wěn)定，滿足了無損探傷試驗儀在轉(zhuǎn)速為40～1 400 r·min-1范圍內(nèi)變頻調(diào)速的控制需求。