李 陽

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

變頻器因具備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定和強(qiáng)抗干擾等特性，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，是電機(jī)交流調(diào)速的一種重要方法之一。變頻器設(shè)備本身帶有顯示面板具備操作簡單、快捷的特點(diǎn),但卻有不夠?qū)I(yè)化,數(shù)據(jù)顯示不夠直觀的缺點(diǎn),而且在控制數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理、保存等諸多方面存在著不足。通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)串行通信控制，變頻器數(shù)據(jù)上傳與上位機(jī)下載，實(shí)現(xiàn)控制程序的數(shù)據(jù)交互，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協(xié)議原理

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，作為通信行業(yè)的通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備控制中。在同一時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)設(shè)備主機(jī)連接于通信總線，同一個(gè)串行總線可連接一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備(最多為247)。采用Modbus通信總是由設(shè)備主機(jī)發(fā)起，從機(jī)只有在收到來自主機(jī)的請(qǐng)求時(shí)，才主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。兩個(gè)從機(jī)之間沒有互相通信功能。主機(jī)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起一個(gè)Modbus事務(wù)處理。主機(jī)以單播模式和廣播模式兩種模式對(duì)從機(jī)發(fā)出Modbus請(qǐng)求。單播模式是一問一答式，設(shè)備主機(jī)以設(shè)定地址尋找某一從機(jī)，從機(jī)接到尋訪并處理完請(qǐng)求工作后，將一個(gè)應(yīng)答返回主機(jī)；廣播模式是主機(jī)同時(shí)向在線的所有從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，從機(jī)不需要返回應(yīng)答。

1.2 傳輸模式和幀格式

Modbus協(xié)議有ACSII和RTU兩種通信傳輸模式。本論文設(shè)計(jì)的Modbus串行通信采用RTU模式，RTU模式構(gòu)成如圖1所示。

圖1 RTU模式

在RTU模式，不同的兩個(gè)報(bào)文幀之間至少包含3.5個(gè)字符時(shí)間的時(shí)間間隔，用以程序區(qū)分不同幀數(shù)據(jù)。其中，報(bào)文幀發(fā)送時(shí)必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，如果一個(gè)報(bào)文幀中兩個(gè)字符發(fā)送的空閑時(shí)間間隔大于1.5個(gè)字符時(shí)間，則該報(bào)文會(huì)被處理程序認(rèn)為不完整，從機(jī)會(huì)將收到的報(bào)文幀丟棄。RTU報(bào)文幀格式如表1所示。

表1 RTU報(bào)文幀

Modbus串行通信協(xié)議定義了串行通信中異步傳輸?shù)膸瑑?nèi)容及使用格式。其中包括：主機(jī)輪詢及廣播幀、從機(jī)應(yīng)答幀的格式；主機(jī)組織的幀內(nèi)容包括：廣播地址(或從機(jī)地址)、執(zhí)行功能的命令碼、命令數(shù)據(jù)內(nèi)容和CRC校驗(yàn)等。從機(jī)的響應(yīng)也是采用相同的結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括：執(zhí)行功能確認(rèn)，返回主機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)等。如果從機(jī)未能從主機(jī)接收到正確的幀數(shù)據(jù)，或不能執(zhí)行主機(jī)下發(fā)的控制動(dòng)作，它將組織一個(gè)故障幀作為響應(yīng)反饋給主機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本方案中應(yīng)用MAX483E，將RS485通信接口的電平轉(zhuǎn)換為適合DSP芯片的輸入電平，硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、清晰明了，DSP控制芯片的SCITXD(傳輸)和SCIRXD(接收)管腳分別接TXD和RXD。硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文Modbus串行通信設(shè)計(jì)選用的是德州儀器TI公司生產(chǎn)的DSP控制芯片，型號(hào)為TMS320LF2407，程序編寫采用匯編語言。本文分為3個(gè)部分介紹實(shí)現(xiàn)串行通信功能，即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

本部分主要是對(duì)SCI寄存器進(jìn)行相應(yīng)的控制位設(shè)置。下面為DSP控制芯片的部分寄存器設(shè)置實(shí)現(xiàn)代碼：

LDP #0E0H

SPLK #07H,SCICCR,數(shù)據(jù)位8，停止位1，無校驗(yàn)

LDP #0E01H;裝載數(shù)據(jù)頁

SPLK #0003H,MCRA;SCI引腳選擇

SPLK #02H,SCICTL2;TX中斷disable、RX中斷enable

SPLK #03H,SCICTL1;使能發(fā)送接收及時(shí)鐘管腳

SPLK #02H,SCIHBAUD

SPLK #08H,SCILBAUD;波特率9600bps

SPLK #023H,SCICTL1;復(fù)位

LDP #0

SPLK #0,GPR0;等待狀態(tài)發(fā)生器設(shè)置

3.2 SCI中斷

中斷程序主要功能是數(shù)據(jù)中斷接收和中斷發(fā)送。中斷接收，當(dāng)檢測(cè)到與上一幀數(shù)據(jù)末尾字符的時(shí)間間隔大于3.5個(gè)字符時(shí)間的第一字節(jié)開始記錄，通過中斷循環(huán)接收，直到全部數(shù)據(jù)接收完畢。中斷發(fā)送，程序記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。SCI數(shù)據(jù)中斷程序處理流程圖如圖3所示。

圖3 SCI中斷流程圖

3.3 SCI數(shù)據(jù)處理程序

本部分主要功能是DSP芯片識(shí)別上位機(jī)通過Modbus通信發(fā)送過來的動(dòng)作命令碼并且根據(jù)接收到的命令碼控制變頻器進(jìn)行功能動(dòng)作。當(dāng)變頻器收到完整的一幀數(shù)據(jù)后，首先對(duì)幀數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行地址判斷，確定是廣播地址還是本機(jī)地址，并進(jìn)行命令碼合法性判斷和CRC校驗(yàn)計(jì)算，當(dāng)滿足所有條件，命令碼正確后，變頻器執(zhí)行命令操作。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

4 軟件測(cè)試

測(cè)試過程中，變頻器主要命令碼數(shù)據(jù)由上位機(jī)的串口調(diào)試工具進(jìn)行發(fā)送。

1) 命令碼：03H，讀取N個(gè)幀數(shù)據(jù)(word)。

測(cè)試示例：從機(jī)變頻器地址設(shè)置為01H，寄存器內(nèi)存起始地址為0006，讀取2個(gè)字，則命令幀和應(yīng)答幀數(shù)據(jù)如表2，表3。

圖4 SCI數(shù)據(jù)處理流程圖

起始間隔標(biāo)志>3.5個(gè)字符時(shí)間間隔設(shè)備地址01H命令碼03H起始地址H位00H起始地址L位04H數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)H位00H數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)L位02HCRC校驗(yàn)L位85HCRC校驗(yàn)H位CAH結(jié)束間隔標(biāo)志>3.5個(gè)字符時(shí)間間隔

表3 從機(jī)回應(yīng)信息(RTU)

2) 命令碼：06H，寫入一個(gè)幀數(shù)據(jù)(word)。

測(cè)試示例：為變頻器02H的0008數(shù)據(jù)地址寫入1388H，則命令幀和應(yīng)答幀數(shù)據(jù)如表4，表5。

表4 主機(jī)命令信息(RTU)

表5 從機(jī)回應(yīng)信息(RTU)

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的Modbus串行通信是通用變頻器控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，程序通過下載至TMS320LF2407芯片上控制設(shè)備運(yùn)行，其結(jié)測(cè)試結(jié)果令人滿意，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，完全符合設(shè)計(jì)需求。