劉立博，丁茹

（沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

Modbus通信協(xié)議是由美國Modicon(莫迪康)公司于1979年發(fā)明的，2004年，中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會正式將Modbus作為國家標(biāo)準(zhǔn)。由于其開放性、可擴展性和標(biāo)準(zhǔn)化使其成為工控領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣的通信協(xié)議，通過Modbus協(xié)議可以將不同廠商的不同設(shè)備以簡單可靠的方式接入通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控、分散控制功能。

臺達DVP系列PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，其COM2（RS485接口）支持主站（master）或從站（slave）之通信協(xié)議。利用其自帶的Modbus讀寫相關(guān)應(yīng)用指令，可以實現(xiàn)PLC與多種設(shè)備之間的主從、從主通信。本篇論文采用一臺DVP系列PLC與一個美國ATMEL公司的ATMEGA2560單片機實驗板和一個觸摸屏（HMI）組成通信網(wǎng)絡(luò)，其中單片機與PLC之間利用Modbus RTU協(xié)議建立主從通信，將單片機采集到的距離、運動姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中做儲存，觸摸屏與

PLC之間通過Ethernet（以太網(wǎng)）建立通信，再由觸摸屏顯示出來，為PLC控制擴展出一個基于Modbus協(xié)議的位姿監(jiān)控功能，其硬件原理框圖如圖1所示。圖1中，Trig為觸發(fā)測距引腳；Echo為返回測距結(jié)果引腳；SDA為串行數(shù)據(jù)引腳；SCL為時鐘引腳；MAX485為TTL轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器。

1 Modbus協(xié)議簡介

圖1 硬件原理框圖

在串行鏈路中，Modbus作為一種簡單的主從協(xié)議（客戶機/服務(wù)器協(xié)議）進行通信。客戶機作為主站向服務(wù)器發(fā)送請求；服務(wù)器（從站）接到請求后，對請求進行分析并作出應(yīng)答。Modbus通信協(xié)議主要具有兩種模式，分別是ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式和RTU（遠程終端單元）模式。在ASCII模式中，數(shù)據(jù)位中的每個8bit都被分為兩個ASCII字符發(fā)送，消息幀的開始與結(jié)束處有標(biāo)記并且采用的是簡單一些的LRC校驗方式。這種模式的優(yōu)點是操作簡單并且不容易產(chǎn)生錯誤，缺點是數(shù)據(jù)傳輸效率比較低，不適用于數(shù)據(jù)較多的情況下使用。在RTU模式中，數(shù)據(jù)位中的每個8bit包含兩個4bit的十六進制字符，消息幀的開始與結(jié)束處沒有標(biāo)記但采用的是復(fù)雜一些的CRC校驗方式。這種模式的優(yōu)點是在相同波特率的情況下，數(shù)據(jù)傳輸效率比較高。本文中的通信需要傳輸多組傳感器數(shù)據(jù)，所以采用的是Modbus-RTU模式進行通信。Modbus的通信幀被稱為應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（Application Data Unit，ADU），其包括通信地址段、功能代碼段、數(shù)據(jù)段和校驗段，功能代碼段和數(shù)據(jù)段組合成為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示（RTU模式）。

圖2 Modbus-RTU通信幀結(jié)構(gòu)

起始位與結(jié)束位：通信幀的起始與結(jié)束字符，因為RTU并沒有在開始與結(jié)束處進行標(biāo)記，因此，多個Modbus通信幀之間的時間間隔要大于3.5個字符的時間才能成功識別通信幀。

設(shè)備地址：Modbus通信中從站設(shè)備的地址，其有效范圍是0～247（十進制）。

功能代碼：在Modbus協(xié)議中已經(jīng)規(guī)定了一些通用的功能代碼如：01功能碼表示讀取線圈狀態(tài)；02功能碼表示讀取離散量狀態(tài)；03功能碼表示讀取保持寄存器等。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)中有2個16進制的數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)范圍是00～FF（16進制）。

CRC校驗：循環(huán)冗余校驗。

2 DVP-ES2系列PLC的從站程序設(shè)計

本設(shè)計中，PLC與單片機間通過RS485接口通信，PLC的從站通信設(shè)置程序如圖3所示。

圖3 從站通信設(shè)置梯形圖

圖中，由特殊功能繼電器M1002在PLC啟動時提供正向脈沖，觸發(fā)程序啟動。首先，通過對D1120賦值對RS485通信格式進行設(shè)置：數(shù)據(jù)長度為8，無奇偶校驗，通信停止位設(shè)置為1，通信傳輸速率設(shè)置為9600，無起始與結(jié)束字符。M1120置位則設(shè)定通信格式保持。對D1129賦值K100設(shè)置通信逾時的時間為100ms。M1143置位則通信模式為Modbus-RTU模式。輔助繼電器M0的功能為將M1122（COM2送信要求）置位并啟動MODRD指令，其中K1為將聯(lián)機裝置地址設(shè)置為1，H1100為第一筆數(shù)據(jù)在PLC中的通信地址，K5為讀取數(shù)據(jù)的筆數(shù)，此指令的執(zhí)行結(jié)果為通過Modbus依次讀取H1100、H1101、H1102、H1103、H1104數(shù)據(jù)地址中的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息并將返回值以十六進制數(shù)值形式依次儲存到特殊數(shù)據(jù)寄存器D1073、D1075、D1077、D1079、D1081中，此時，通信成功標(biāo)志特殊功能寄存器M1127閉合，同時，將數(shù)據(jù)傳送給一般寄存器D0～D4做顯示（D0～D4對應(yīng)觸摸屏中5個數(shù)據(jù)顯示窗口內(nèi)存地址），隨之將M1127復(fù)位。M1129特殊功能輔助繼電器的作用是當(dāng)PLC或單片機發(fā)生某些突發(fā)情況造成通信逾時的情況下，自動將M1129置為on，程序中由M1129觸發(fā)送信要求M1122再讀取一次，同時，將M1129復(fù)位。

3 單片機的主站程序設(shè)計

單片機的程序包含Modbus的主站通信程序以及對超聲波測距傳感器和運動姿態(tài)傳感器的應(yīng)用程序，采用ARDUINO IDE開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫，使用Kalman庫、Wire庫以及Math庫對運動傳感器回傳的數(shù)據(jù)進行解析，使用ModbusMaster庫對Modbus主站進行通信設(shè)置。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

在主循環(huán)程序中，需要對各傳感器回傳的數(shù)字量信號進行解算處理。對于日本TDK公司的MPU6050運動姿態(tài)傳感器：首先，利用Wire庫讀出傳感器內(nèi)部寄存器中的測量值，由于噪音等因素的影響，該值存在數(shù)據(jù)偏移的現(xiàn)象，所以對偏移量進行校準(zhǔn)，之后利用Math庫計算出各運動參數(shù)，為進一步保證各參數(shù)的準(zhǔn)確度，最后，利用Kalman庫對各運動參數(shù)進行濾波處理得出最終的運算結(jié)果。其中，橫滾角Roll與俯仰角Pitch的計算公式為：

式中，x、y、z分別為加速度計的三個坐標(biāo)軸分量（存儲于MPU6050芯片內(nèi)部寄存器）。

橫滾角速度RollRate與俯仰角速度PitchRate的計算公式為：

式中，Gyrx與Gyry分別為角速度計的x軸與y軸的分量（存儲于MPU6050芯片內(nèi)部寄存器）。

對于HC-SR04超聲波測距傳感器：首先，觸發(fā)傳感器發(fā)出超聲波脈沖，然后，等待反射回的脈沖，使用pulseIn()函數(shù)記錄此過程的時間t并換算出距離distance（cm）。即為：

式中，pulseIn()所記錄的時間t單位為微秒，聲速v為344m/s，所以距離distance=344*100/1000000*pulseIn()/2約等于pulseIn()/58.0。

最后，利用ModbusMaster庫中的node.writeSingleRegister指令，將各數(shù)值存入相應(yīng)寄存器中。具體程序如下：

其中，Modbus通信地址與PLC通信地址的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 DVP系列PLC裝置通信地址（部分）

4 實驗結(jié)果

為驗證傳感器測量的數(shù)據(jù)是否成功通過Modbus協(xié)議經(jīng)過單片機與PLC回傳到觸摸屏上做顯示，按照本文所述方案搭建實驗電路如圖5所示。將PLC程序與單片機程序成功焼寫之后，經(jīng)上電測試可以實現(xiàn)Modbus通信，所顯示數(shù)據(jù)均為傳感器實際測量的數(shù)據(jù)。

圖5 實驗電路

5 結(jié)語

本文著重介紹了Modbus協(xié)議的基本結(jié)構(gòu)與原理，設(shè)計了基于Modbus-RTU協(xié)議的單片機與臺達DVP系列PLC的主從通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了對HC-SR04超聲波測距傳感器以及MPU6050運動姿態(tài)傳感器所測量數(shù)據(jù)的傳輸，搭配功能靈活的單片機為PLC擴展出位姿監(jiān)控功能。該系統(tǒng)可搭配多種傳感器應(yīng)用于各種需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜LC控制系統(tǒng)中，為其它基于臺達DVP系列PLC的功能擴展提供了很好的參考。