陳洪偉

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) PLC 通信

在很多工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備中，需要進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，來配合其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，在現(xiàn)場控制設(shè)備中有多鐘多樣的數(shù)據(jù)采集模塊，有些產(chǎn)品無法直接進(jìn)行協(xié)議的匹配。本文著重介紹單片機(jī)與PLC 通信的方案。首先，說下硬件接口電路的設(shè)計(jì)，PLC 配置了標(biāo)準(zhǔn)的RS-232 接口或者RS-485 接口。以RS-232 接口為例它采用的是EIA/TIA-232-E 電平，而單片機(jī)的工作電平是TTL 或者CMOS 電平， 這兩種不同的電平肯定是不能進(jìn)行互相通信的，所以我們需要一個(gè)電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。比較常用的是MAX232 串行通信芯片，MAX232 芯片集成雙RS-232 驅(qū)動(dòng)接收器并且采用5V 供電，便于與單片機(jī)系統(tǒng)采用統(tǒng)一電源進(jìn)行工作。

硬件接口電路完成后我們來研究下二者實(shí)現(xiàn)通信的軟件部分如何設(shè)計(jì)。軟件部分我們采用的Modbus 通信協(xié)議。之所以使用Modbus 通信協(xié)議是因?yàn)樗壳皯?yīng)用反面不錯(cuò)的應(yīng)用層協(xié)議，它不僅簡潔也比較完善。對于之前沒有了解過Modbus 協(xié)議層的，最好不要直接移植Modbus，應(yīng)該先去學(xué)習(xí)Modbus 文檔，經(jīng)過充分學(xué)習(xí)了該協(xié)議的內(nèi)容以后，再按照協(xié)議要求開發(fā)軟件部分，比如PLC 的中Modbus 部分與單片機(jī)中的Modbus 部分。雖然單片機(jī)系統(tǒng)的通信協(xié)議可以由編程人員自己開發(fā)，但是通過實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)自己定制的協(xié)議問題很多，尤其是需要擴(kuò)展的時(shí)候極為困難。所以去借鑒他人的經(jīng)驗(yàn)當(dāng)然是一個(gè)很好的途徑。借鑒他人成熟的經(jīng)過驗(yàn)證的代碼，可以大大減少調(diào)試時(shí)間。Modbus 通信協(xié)議主要有三種模式，分別為ASCII 碼通信模式、RTU 通信模式、TCP 通信模式等，這個(gè)協(xié)議定義了控制器，這樣我們就能認(rèn)識(shí)和使用這個(gè)消息結(jié)構(gòu)，這幾種協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，數(shù)據(jù)的通信格式用主/ 從通信方式，數(shù)據(jù)請求消息由主設(shè)備發(fā)出，然后從設(shè)備接收到正確消息后就可以響應(yīng)主設(shè)備的請求;主設(shè)備端當(dāng)然，也可以去修改從設(shè)備端的數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)雙向的讀寫。接下來我們以RTU模式為例來講解，一幀數(shù)據(jù)由消息頭和編碼數(shù)據(jù)組成。而且每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送要大于等于3.5 個(gè)字符的間隔時(shí)間來開始。當(dāng)波特率固定時(shí)，這個(gè)時(shí)間間隔是比較容易實(shí)現(xiàn)的。一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備的地址。每一個(gè)設(shè)備的地址都是唯一的，在通信期間網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備一直偵測總線。當(dāng)接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，收到數(shù)據(jù)的設(shè)備都進(jìn)行解碼，判斷是否和自己的地址一樣。一幀數(shù)據(jù)傳輸完之后，結(jié)尾以一個(gè)大于3.5個(gè)字符時(shí)間的間隔表示一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。新的一幀數(shù)據(jù)可在這個(gè)時(shí)間間隔以后開始。但是如果在一幀數(shù)據(jù)傳輸完成以前有大于1.5 個(gè)字符的間隔時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致接收設(shè)備刷新完成這個(gè)不完整的消息，就會(huì)認(rèn)定接下來的數(shù)據(jù)是一個(gè)新消息的地址。這樣就會(huì)導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)都是錯(cuò)誤的。一組數(shù)據(jù)幀的格式具體如下：初始結(jié)構(gòu)應(yīng)該大于等于4 個(gè)字節(jié)的時(shí)間，地址碼占用1 個(gè)字節(jié)長度，功能碼占用1 個(gè)字節(jié)長度，數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)用戶需求占用的字節(jié)長度自定，錯(cuò)誤校檢占用2 字節(jié)長度，結(jié)束結(jié)構(gòu)大于等于4 個(gè)字節(jié)的時(shí)間。地址碼是一幀數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)。這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是由用戶設(shè)定的，是從機(jī)接收信息的地址。所以每個(gè)從機(jī)的地址碼一定是唯一的，如果有雷同的地址碼就會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)或多臺(tái)從機(jī)端收到同樣的信息指令。主機(jī)發(fā)送的過來的地址碼是主機(jī)數(shù)據(jù)要發(fā)給從機(jī)的地址，對應(yīng)地址的從機(jī)收到信息后回傳從機(jī)地址以表示數(shù)據(jù)接收完成。功能碼是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的第二個(gè)字節(jié)。協(xié)議規(guī)定功能號為1 到127。那么這些功能碼到底是什么意思呢？其實(shí)很簡單就是作為主機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)命令，用這些功能碼來告訴從機(jī)去做什么。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼大于127，則表明從機(jī)沒有正確接收到指令或發(fā)送出錯(cuò)。數(shù)據(jù)區(qū)是用戶自定義的。數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場要求來傳輸?shù)淖远x數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)值是用戶在現(xiàn)場應(yīng)用中自定義的數(shù)值。CRC 校驗(yàn)碼冗余循環(huán)碼總共有2 個(gè)字節(jié)，CRC 校驗(yàn)碼是主設(shè)備計(jì)算，置于發(fā)送信息的尾部。當(dāng)從機(jī)接收到后再重新計(jì)算CRC 碼，計(jì)算完成后的結(jié)果來和接收到的CRC 校驗(yàn)碼進(jìn)行對比，如果兩者不同，則說明接收到的數(shù)據(jù)出錯(cuò)。以上是RTU 模式的數(shù)據(jù)格式。

最后我們再來說下單片機(jī)編程的CRC 校驗(yàn)如何實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镻LC 的CRC 校驗(yàn)可以通過軟件設(shè)置好就可以了，但是單片機(jī)需要自己寫程序來實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)。通過上文我們知道CRC 校驗(yàn)碼包含兩個(gè)字節(jié)，也就是一個(gè)16 位的二進(jìn)制值碼。首先定義一個(gè)全“1”的16 位寄存器，然后處理消息寄存器中的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。取一個(gè)字符和寄存器內(nèi)容按位相或，然后結(jié)果向右移一位，最高有效位補(bǔ)0。提取最低有效位是1 還是0，如果最低有效位是1，則要將寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值相或一下，如果最低有效位的值是0，就不需要進(jìn)行任何的操作。這樣一個(gè)字節(jié)完成后，重復(fù)以上步驟。最終得到的寄存器中的值，就是消息中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)都執(zhí)行之后的CRC 值。接下來以一段例程進(jìn)行講解，首先包含2個(gè)頭文件#include，#include。定義一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)unsignedcharbuf[10]，定義一個(gè)接收緩沖區(qū)unsignedcharrece[10]，然后我們來定義一個(gè)串口初始化的函數(shù)voidserialinit（）{scon=0x50; 設(shè)置串口工作方式1，10 位異步通訊模式，pcon=0x00;設(shè)置波特率不倍增PCON=0X00;設(shè)置串口工作方式TMOD=0X20;設(shè)置定時(shí)器初值TH1=0XFA，TL1=0XFA;啟動(dòng)定時(shí)器TR1=1;} 再定義一個(gè)CRC 計(jì)算程序unsignedintcrc16（unsingedchar*msg，unsignedinttalen），函數(shù)體按照上述步驟補(bǔ)充完畢即可。接下來我們看主函數(shù)main（）{ 調(diào)用子函數(shù)對串口進(jìn)行初始化serialinit（），設(shè)置一個(gè)發(fā)送的站號send_buf[0]=0x05，發(fā)送一個(gè)讀操作的功能碼send_buf[1]=0x03， 發(fā)送字節(jié)數(shù)send_buf[2]=0x02， 設(shè)置第一個(gè)寄存器數(shù)據(jù)高字節(jié)地址send_buf[3]=0x00，設(shè)置第一個(gè)寄存器數(shù)據(jù)低字節(jié)地址send_buf[4]=0x01， 然后計(jì)算crc 校驗(yàn)碼crc_data=crc16（send_buf，5）計(jì)算完成后把crc 計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到發(fā)送緩沖區(qū)send_buf[6]=crcdata>>8， 存儲(chǔ)的是低8 位，send_buf[5]=crc_data 存儲(chǔ)的是高8 位} 然后進(jìn)入無限循環(huán)程序while（1）{ 判斷是否接收到數(shù)據(jù)if（RI）{RI=0;如果接收到數(shù)據(jù)清除接收中斷標(biāo)志位，if（rcec_c<8）{rcec_buf[rcec_c]=SBUF;把接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出來存到第一個(gè)數(shù)組位，然后數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)加一rcec_c++;直到8 個(gè)數(shù)據(jù)接收完成} 如果8 個(gè)數(shù)據(jù)接收完成后，對第一個(gè)數(shù)據(jù)中的地址進(jìn)行判斷，如果正確說明是發(fā)送給此機(jī)的數(shù)據(jù)}，接下里就可以把其他的數(shù)據(jù)讀出來進(jìn)行解析和處理了}綜合上面所述的程序結(jié)構(gòu)，我們基本上了解了整個(gè)接收程序的流程及寫法。同樣的道理如果需要主機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，我們只需要按照步驟再寫一個(gè)發(fā)送程序即可，所以我們在單片機(jī)端程序按照以上步驟調(diào)試modbus 通信協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)正常通信。