摘要：Modbus 協(xié)議因其簡單、開放和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議。通過分析Modbus 協(xié)議的工作原理及其在STM32 單片機(jī)與監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generatedsystem，MCGS）通信中的關(guān)鍵作用，設(shè)計了一個高效、穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了STM32 單片機(jī)與MCGS 之間穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)交換，為工業(yè)自動化監(jiān)控提供有力支持。通過介紹通信接口設(shè)計、Modbus 消息幀設(shè)計以及MCGS 軟件設(shè)計等方面的內(nèi)容，為工業(yè)自動化監(jiān)控提供一種高效、穩(wěn)定的解決方案。

關(guān)鍵詞：Modbus 協(xié)議；STM32 單片機(jī)；MCGS；通信接口；工業(yè)自動化

中圖分類號：TN919.5；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，各種控制設(shè)備和傳感器之間的通信需求日益增加。為了實(shí)現(xiàn)不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備之間互聯(lián)互通，需要一種通用的通信協(xié)議。Modbus 協(xié)議憑借其簡單、開放和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議之一。在STM32 單片機(jī)與監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system，MCGS） 通信的過程中，Modbus 協(xié)議發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

1 Modbus協(xié)議概述

Modbus 協(xié)議規(guī)定了控制器之間以及控制器通過網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）與其他設(shè)備之間的通信準(zhǔn)則，允許不同制造商生產(chǎn)的控制設(shè)備能夠連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

在STM32 單片機(jī)與MCGS 通信的過程中，Modbus 協(xié)議發(fā)揮了關(guān)鍵作用。STM32 單片機(jī)作為一種兼具高性能與低成本的嵌入式系統(tǒng)控制器，被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)控制場景中。而MCGS 作為一款通用的工業(yè)自動化監(jiān)控軟件，則提供了豐富的圖形界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能?；贛odbus 協(xié)議，STM32 單片機(jī)與MCGS 可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)交換，以及對工業(yè)過程的實(shí)時監(jiān)控。Modbus協(xié)議通過規(guī)定一系列的標(biāo)準(zhǔn)功能碼，如讀取線圈狀態(tài)、讀取輸入狀態(tài)、寫入單個線圈、寫入多個線圈等，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的精確控制。例如，在STM32 單片機(jī)中，通過Modbus 協(xié)議將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCGS 以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，MCGS 也可以通過該協(xié)議向STM32 發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。Modbus 協(xié)議還支持多種通信接口，如推薦標(biāo)準(zhǔn)485（recommended standard 485，RS-485）、傳輸控制協(xié)議/ 因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）等接口，使其在不同的工業(yè)環(huán)境中都具有廣泛的適用性[1]。在STM32 與MCGS 的通信中，通常采用的是串行通信方式，如RS-485 接口，該接口因長距離、高速率和低成本的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

2 STM32單片機(jī)與MCGS的通信系統(tǒng)設(shè)計

在STM32 單片機(jī)與MCGS 的通信系統(tǒng)設(shè)計中，首先要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時性和擴(kuò)展性。本文分析了Modbus 協(xié)議在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合STM32 單片機(jī)的強(qiáng)大功能與MCGS 組態(tài)軟件的靈活性，構(gòu)建了一個高效、可靠的通信系統(tǒng)。

本文針對STM32 單片機(jī)進(jìn)行了細(xì)致的硬件配置和軟件編程。在硬件配置方面，選擇了合適的串口通信模塊，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。在軟件編程方面，優(yōu)化了串口初始化、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送等關(guān)鍵函數(shù)，提高了通信效率。利用MCGS 組態(tài)軟件的圖形化界面和數(shù)據(jù)處理能力，用戶可以直接監(jiān)控STM32 單片機(jī)，體現(xiàn)了人機(jī)交互的友好性。MCGS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r分析、存儲和展示從STM32 單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)。在通信協(xié)議的選擇上，該通信系統(tǒng)采用了廣泛應(yīng)用的Modbus協(xié)議。該協(xié)議不僅簡單易用，而且具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性。

3 通信接口設(shè)計

系統(tǒng)最終選定了型號為TPC7062TX 的MCGS觸摸屏作為上位監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備的通信接口采用RS-485 接口。STM32 單片機(jī)與MCGS 觸摸屏通信接口之間存在電平不匹配的問題。STM32 單片機(jī)串口使用的是晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistorlogic，TTL）電平，電壓波動范圍為0 ～ 3.3 V，而MCGS 觸摸屏的RS-485 接口支持的電壓范圍為-6 ～ 6 V。由于這種電平差異，需要一個轉(zhuǎn)接芯片來確保雙方能夠平穩(wěn)通信。因此，本系統(tǒng)選擇了性能穩(wěn)定的Sipex 公司SP3072EEN 芯片。

圖1 展示了SP3072EEN 芯片的應(yīng)用電路設(shè)計。在該設(shè)計中，芯片的左側(cè)引腳與STM32 單片機(jī)進(jìn)行連接。RO 接口（數(shù)據(jù)發(fā)送引腳）通過4.7 kΩ 的上拉電阻與單片機(jī)的接收引腳相連，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。DI 接口作為數(shù)據(jù)接收引腳，與單片機(jī)的發(fā)送端連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速接收。在通信開始之前，需要激活芯片的發(fā)送（RE）和接收（DE）引腳。為了簡化電路設(shè)計并節(jié)省端口資源，系統(tǒng)將這兩個引腳連接后接入單片機(jī)的單一使能端口，實(shí)現(xiàn)單一控制功能。芯片的右側(cè)A、B 引腳與MCGS 觸摸屏的RS-485 接口相連，這兩個引腳利用電壓差來表示不同的邏輯狀態(tài)。其中，B 引腳配備了下拉電阻R2，A 引腳則連接了上拉電阻R3，確保非通信狀態(tài)下信號維持在邏輯“1”，即高電平狀態(tài)。R3 作為終端電阻，負(fù)責(zé)有效吸收線路上的反射信號并減少信號干擾[2]。

4 Modbus消息幀設(shè)計

Modbus 協(xié)議最初是為實(shí)現(xiàn)可編程控制器之間的通信而設(shè)計的，如今它已發(fā)展為工業(yè)現(xiàn)場的主流總線協(xié)議。在這一協(xié)議框架下，MCGS 監(jiān)控平臺扮演指令發(fā)送者的角色，主動與STM32 單片機(jī)進(jìn)行通信。而STM32 單片機(jī)則作為從設(shè)備，根據(jù)接收的指令類型做出相應(yīng)的響應(yīng)。

Modbus 協(xié)議的消息幀格式包括美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（American standard code for informationinterchange，ASCII） 和遠(yuǎn)程終端單元（remoteterminal unit，RTU）兩種，其中ASCII 格式是以字符為單位進(jìn)行傳輸?shù)模勺x性強(qiáng)，但傳輸效率較低；RTU 格式則基于字符流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度更快、效率更高。因此，本文采用RTU格式進(jìn)行設(shè)計，Modbus RTU 消息幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

Modbus 協(xié)議支持多達(dá)255 個功能碼，為系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。采用的MCGS 組態(tài)軟件支持01、02、03、04 等功能碼，這些功能碼在通信過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，不僅定義了數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作，還確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。以功能碼03 為例，通常用于讀取多個保持寄存器的內(nèi)容[3]。當(dāng)MCGS 監(jiān)控平臺需要獲取STM32 單片機(jī)中某些寄存器的當(dāng)前值時，就會發(fā)送包含功能碼03 的Modbus 請求。STM32 單片機(jī)在接收到該請求后，會根據(jù)請求中的寄存器地址和數(shù)量，讀取相應(yīng)的寄存器值，將這些值打包成Modbus 響應(yīng)幀發(fā)送回MCGS 監(jiān)控平臺。

采用基于Modbus 協(xié)議的通信方式，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和效率，使得系統(tǒng)更加靈活和可擴(kuò)展。通過合理地選擇和使用功能碼，可以輕松地實(shí)現(xiàn)對STM32 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足各種復(fù)雜的工業(yè)自動化需求。

5 Modbus協(xié)議控制流程

在探討Modbus 協(xié)議的控制流程時，本文主要聚焦于單片機(jī)模塊如何響應(yīng)上位機(jī)并且通過組態(tài)屏內(nèi)置驅(qū)動自動生成的Modbus 請求。該過程的核心在于STM32 單片機(jī)的編程與響應(yīng)機(jī)制。STM32 單片機(jī)的串口配置與上位機(jī)相匹配是有效通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的周期取決于系統(tǒng)對實(shí)時性的需求以及單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。在本系統(tǒng)中，STM32單片機(jī)采用定時器來管理數(shù)據(jù)采集和響應(yīng)的周期。當(dāng)組態(tài)端發(fā)出Modbus 請求幀時，請求經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換模塊后被傳送至單片機(jī)的串口進(jìn)行緩存。該過程中，串口中斷被觸發(fā)，通過組態(tài)屏內(nèi)置驅(qū)動自動生成的Modbus 請求幀，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換模塊傳送至STM32 單片機(jī)的串口緩存區(qū)中。STM32 單片機(jī)通過專門的讀取函數(shù)訪問串口緩存區(qū)，獲取上位機(jī)發(fā)送的請求數(shù)據(jù)。在確認(rèn)數(shù)據(jù)完整性后，系統(tǒng)會進(jìn)行循環(huán)冗余校核（cyclic redundancy check，CRC）校驗以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。一旦校驗無誤，Modbus請求幀的不同字段將被解析并存儲在單片機(jī)的緩存數(shù)組中[4]。單片機(jī)根據(jù)接收的功能碼和操作地址來決定如何響應(yīng)。例如，如果功能碼指示讀取某個寄存器的值，單片機(jī)將會從相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)，生成Modbus 響應(yīng)幀并且將其發(fā)送回上位機(jī)。若依據(jù)功能碼要求寫入數(shù)據(jù)，單片機(jī)則會將指定數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)地址。Modbus 協(xié)議工作流程如圖3 所示，該流程的順暢運(yùn)行依賴于每個環(huán)節(jié)的精確配合，包括串口的正確配置、定時器的精確控制、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確校驗以及功能碼的正確解析與執(zhí)行。

6 MCGS軟件設(shè)計

在MCGS 軟件設(shè)計中，本文考慮了用戶界面的友好性、數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。MCGS 作為一種功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，為工業(yè)自動化的監(jiān)控提供了豐富的工具和資源。首先，本文設(shè)計了一個直觀且易于操作的用戶界面[5]。通過圖形化的界面設(shè)計，用戶能夠輕松查看和控制STM32 單片機(jī)的狀態(tài)。該設(shè)計還提供了豐富的數(shù)據(jù)展示功能，如實(shí)時曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢等，以便用戶能夠全面了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在數(shù)據(jù)處理方面，利用MCGS 提供的數(shù)據(jù)處理函數(shù)和腳本語言。通過編寫相應(yīng)的腳本程序，對從STM32單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析，這些數(shù)據(jù)不僅可以用于界面的實(shí)時更新，還可以存儲至數(shù)據(jù)庫中供后續(xù)分析使用。此外，隨著工業(yè)自動化需求的不斷增長，系統(tǒng)需要接入更多的設(shè)備和傳感器，因此在MCGS 軟件設(shè)計中預(yù)留了豐富的接口和功能模塊，以便未來能夠輕松地擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和規(guī)模。

7 結(jié)論

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對于設(shè)備之間的通信效率和穩(wěn)定性要求也越來越高。本文圍繞Modbus 協(xié)議在STM32 單片機(jī)與MCGS 通信中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，成功設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個高效、穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了STM32 單片機(jī)與MCGS 之間的無縫對接，更在實(shí)際應(yīng)用中為工業(yè)自動化監(jiān)控提供了強(qiáng)大的支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉崇巍. 網(wǎng)絡(luò)通信中嵌入式TCP/IP 協(xié)議單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國高新科技，2024（5）：47-49.

[2] 王攀. 一種Modbus 通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換方法研究與實(shí)踐[J]. 石化技術(shù)，2023，30（10）：142-143，58.

[3] 游乙龍. 基于單片機(jī)的多變頻器Modbus 通訊控制[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（8）：239-244.

[4] 包虹璐. 網(wǎng)絡(luò)通信中嵌入式TCP/IP 協(xié)議單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用分析[J]. 科技資訊，2023，21（18）：48-51.

[5] 唐海晨. 基于STM32 單片機(jī)家電控制及家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 長江信息通信，2022，35（9）：69-71.