程保喜（山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012）

基于Modbus協(xié)議的變頻器串行通信設(shè)計(jì)

程保喜（山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012）

串行通訊在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用，Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)變頻器與上位機(jī)之間需要進(jìn)行通訊以方便數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題設(shè)計(jì)了基于Modbus協(xié)議的變頻器串行通訊程序，首先介紹了Modbus協(xié)議的工作原理，基于Modbus中的RTU模式在TMS320LF2407上使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行串行通信程序編寫(xiě)，對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵程序通過(guò)程序流程圖的方式進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并通過(guò)硬件平臺(tái)驗(yàn)證了方法的可行性，最終實(shí)現(xiàn)了變頻器和上位機(jī)的串行通信功能。

Modbus協(xié)議；RTU；變頻器；串行通信

變頻器是交流調(diào)速的一種重要手段，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它本身所帶的顯示面板具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)， 但卻有專(zhuān)業(yè)化、操作不方便等缺點(diǎn)，而且在數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算、保存等諸多方面不盡人意。通過(guò)變頻器與上位機(jī)的通信可以將數(shù)據(jù)上傳或下載，以便充分發(fā)揮上位機(jī)數(shù)據(jù)處理和操作方便的優(yōu)勢(shì)。

1 Modbus協(xié)議

1.1 Modbus主從協(xié)議原理

Modbus最早由Modicon公司開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已是全球工業(yè)領(lǐng)域最廣為使用的協(xié)議。它支持RS-232/422/485及以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備（如DCS、PLC及智能儀表）都將其作為通信標(biāo)準(zhǔn)。

Modbus數(shù)據(jù)通信采用半雙工的主從應(yīng)答方式，在同一時(shí)刻，同一串行總線(xiàn)上，僅有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)連接。Modbus通信由主機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求尋址到相應(yīng)正確的從機(jī)，從機(jī)確認(rèn)信息正確后發(fā)出應(yīng)答信息傳輸給主機(jī)以響應(yīng)請(qǐng)求，從機(jī)未收到來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，不會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。Modbus協(xié)議只能夠在主從機(jī)間通信。主機(jī)有兩種發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求模式即廣播模式和單播模式。廣播模式是主機(jī)對(duì)所有從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而從機(jī)不需要有應(yīng)答響應(yīng)；單播模式是主機(jī)特定尋址某一從機(jī)，被尋址從機(jī)在接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，需要對(duì)主機(jī)做應(yīng)答響應(yīng)。

1.2 傳輸模式和幀格式

Modbus常見(jiàn)的通信協(xié)議有：Modbus RTU和Modbus ACSII兩種模式。本設(shè)計(jì)主要采用Modbus RTU模式，它主要是用于二進(jìn)制數(shù)值且數(shù)據(jù)量較大的傳輸通信中。

在Modbus RTU模式中，數(shù)據(jù)幀包括起始位、地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC校驗(yàn)位及停止位。為區(qū)分兩幀數(shù)據(jù)，每幀報(bào)文之間間隔需要大于3.5個(gè)字符時(shí)間，圖1為Modbus RTU模式圖。其中，每幀報(bào)文必須采用連續(xù)的字符流發(fā)送且字符空閑間隔時(shí)間須小于1.5個(gè)字符時(shí)間，否則接收到的報(bào)文幀將被認(rèn)為不完整而被丟棄。

圖1 Modbus RTU模式圖

Modbus RTU模式通信協(xié)議采用異步通信方式并規(guī)定了傳輸?shù)耐ㄐ判畔⒑屯ㄐ艛?shù)據(jù)幀格式及內(nèi)容。通信信息采用11位的字格式；主機(jī)通信信息幀內(nèi)容包括：地址碼、執(zhí)行功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)及錯(cuò)誤校驗(yàn)，如表1所示。從機(jī)給主機(jī)的返回幀也是采用同樣結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括：動(dòng)作確認(rèn)，數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)等。如果從機(jī)在接收信息時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，或未能執(zhí)行主機(jī)傳達(dá)的命令，它將給主機(jī)返回一個(gè)故障幀。

表1 通信數(shù)據(jù)的類(lèi)型及格式

2 硬件設(shè)計(jì)

本方案中串行通訊采用RS485接口，RS485的電氣標(biāo)準(zhǔn)并不符合DSP芯片的電平要求，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如圖2所示，本方案使用的電平轉(zhuǎn)換芯片是MAX483E，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。RXD1和TXD分別接DSP的SCIRXD和SCITXD。

圖2 連接原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文串行通行設(shè)計(jì)使用的控制芯片是TI公司的TMS320LF2407，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序。

本文中通訊程序設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：SCI初始化程序、SCI中斷程序和SCI數(shù)據(jù)處理程序。

3.1 SCI初始化程序

SCI初始化程序主要是設(shè)置相應(yīng)的SCI寄存器。下面是一些相應(yīng)的寄存器設(shè)置代碼：

LDP #0E01H ;裝載數(shù)據(jù)頁(yè)

SPLK #0003H,MCRA ;選中SCI輸入引腳

LDP #0E0H ;裝載數(shù)據(jù)頁(yè)

SPLK #07H,SCICCR ;1位停止位，無(wú)校驗(yàn) ; 8位數(shù)據(jù)，

SPLK #03H,SCICTL1 ;使能TX，RX；使能SCICLK

SPLK #02H,SCICTL2 ;使能RX中斷；禁止TX中斷

SPLK #02H,SCIHBAUD

SPLK #08H,SCILBAUD ;波特率9600bps

SPLK #023H,SCICTL1 ;復(fù)位放棄SCILDP#0

SPLK #0,GPR0 ;設(shè)置等待狀態(tài)發(fā)生器

3.2 SCI中斷程序

SCI接收和發(fā)送數(shù)據(jù)均采用中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SCI接收數(shù)據(jù)時(shí)，將按字節(jié)方式接收，每接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，就進(jìn)入一次中斷。通過(guò)中斷重復(fù)接收，直到數(shù)據(jù)接收完畢。中斷模式中需要定時(shí)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所接收每幀數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔，當(dāng)間隔大于3.5個(gè)字符時(shí)，說(shuō)明準(zhǔn)備接收新的一幀數(shù)據(jù)。每一幀數(shù)據(jù)接收完成后，從機(jī)將重新計(jì)算其CRC校驗(yàn)值，并與所接收到的數(shù)據(jù)中的CRC值進(jìn)行比較，與此同時(shí)，表明接收數(shù)據(jù)正確，從機(jī)將執(zhí)行數(shù)據(jù)幀中的功能碼，否則從機(jī)將向主機(jī)返回一條異常數(shù)據(jù)幀。

SCI中斷發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，程序會(huì)記錄所發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，直至所有字符發(fā)送完畢。中斷程序默認(rèn)的是接收狀態(tài)，每當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后需清除發(fā)送標(biāo)志位，關(guān)閉發(fā)送中斷，打開(kāi)接收中斷。圖3是SCI中斷流程圖。

3.3 SCI數(shù)據(jù)處理程序

SCI數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是根據(jù)已接收Modbus的正確命令碼來(lái)控制變頻器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。每當(dāng)變頻器接收到一條完整的數(shù)據(jù)幀后，首先判斷所接收數(shù)據(jù)幀的地址是否為本機(jī)或廣播地址，然后重新計(jì)算CRC校驗(yàn)碼是否與接收的校驗(yàn)碼一致及命令碼的合法性，在所有條件都滿(mǎn)足后，變頻器執(zhí)行操作命令。圖4為數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖3 SCI中斷流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

上位機(jī)通過(guò)串口調(diào)試工具發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表2~表5所示。

表2 命令碼03H主機(jī)命令信息（RTU）

表3 命令碼03H從機(jī)回應(yīng)信息（RTU）

表4 命令碼06H主機(jī)命令信息（RTU）

表5 命令碼06H從機(jī)回應(yīng)信息（RTU）

5 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的方案是通用變頻器設(shè)計(jì)的一部分。本文的設(shè)計(jì)在該裝置運(yùn)行情況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。

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Serial Communication Design of Inverter Based on Modbus

Serial communication has been widely used in industrial control. The Modbus protocol is a common language which is applied to electronic control. Serial communication program is designed based on Modbus protocol in order to communicate between the inverter and the computer for data processing. This paper introduces the Modbus protocol and programs on TMS320LF2407 with assembly language based on RTU model in Modbus. The key point of design procedure is analyzed through flow chart and the feasibility of method is verified by hardware platform. The serial communication between inverter and PC is finally achieved.

Modbus protocol; RTU; Inverter; Serial communication

B

1003-0492(2015)02-0088-03

TP273

程保喜（1971-），男，山西太原人，本科，工程師，現(xiàn)就職于山西省自動(dòng)化研究所，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。