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基于A(yíng)RM Cortex-M3的MODBUS協(xié)議實(shí)現及其應用
作者：
時(shí)間：2011-07-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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在外設初始過(guò)程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信參數為：波特率9 600 kb·s-1，8位數據位，2位停止位，無(wú)奇偶校驗；其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用時(shí)間標記的方式進(jìn)行協(xié)議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時(shí)器TIM2用以判定數據幀的結束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個(gè)字符發(fā)送時(shí)間，因此設置TIM2的溢出時(shí)間為3 ms；最后，為處理可能的總線(xiàn)延遲等通信故障，本文使用了系統定時(shí)器SysTick作超時(shí)判定，綜合考慮到變頻器動(dòng)作時(shí)間、通信延遲等因素，超時(shí)判定的時(shí)間閾值取200 ms。
3 MODBUS協(xié)議實(shí)現
在變頻調速系統中，STM32F103ZET6作為主節點(diǎn)負責變頻調速系統的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節點(diǎn)負責響應主節點(diǎn)的請求，完成對交流電機的運動(dòng)控制。因此本文中變頻調速系統為基于MODBUS協(xié)議的主節點(diǎn)程序實(shí)現，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數據幀發(fā)送，數據幀接收和數據幀處理。
3．1 數據幀發(fā)送
發(fā)送數據時(shí)，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協(xié)議幀才能成功進(jìn)行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數據協(xié)議單元PDU包括功能碼和數據碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類(lèi)型和操作參數作為參數封裝成PDU。構建PDU之后，在數據幀頭部加入從機的地址，再將CR-C16校驗值寫(xiě)入數據幀尾部即構成完整的應用數據單元ADU。
MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗，按照循環(huán)冗余檢驗算法，使用標準16位生成多項式，可對任意長(cháng)度的信息字段校驗出一個(gè)16位的校驗碼。其程序流程可描述如下：
(1)初始化一個(gè)16位寄存器，所有位進(jìn)行置1。
(2)該16位寄存器與待校驗數據串中第1 Byte的數據進(jìn)行異或，結果存回該寄存器。
(3)該16位寄存器右移一位。
(4)若該寄存器右移移出位為1，則與校驗多項式0A001H異或，否則重復步驟3。
(5)重復步驟3和步驟4直到該Byte的8位數據均處理完畢。
(6)取數據串中下一個(gè)數據與該16位數據進(jìn)行異或結果存回寄存器。
(7)重復步驟3～步驟6，直到待校驗數據串中所有的字節數據均處理完畢。
(8)該16位寄存器中數據即CRC16的最終校驗結果，加至數據幀末端。
因為STM32F103ZET6芯片內USART3無(wú)硬件FIFO的特點(diǎn)，所以需要軟件上使用隊列的數據結構作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進(jìn)行串行口的收發(fā)任務(wù)。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢(xún)式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區中的數據依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊列的出隊操作；而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應函數中，軟件按時(shí)間先后順序將數據寫(xiě)入接收緩沖區內，即隊列的入隊操作。
3．2 數據幀接收
在發(fā)送完請求幀后，STM32F103ZET6通過(guò)GPIO操作總線(xiàn)的收／發(fā)使能端，將RS485總線(xiàn)由發(fā)送狀態(tài)改為監聽(tīng)狀態(tài)。在監聽(tīng)過(guò)程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應答幀的接收。
由于MODBUS RTU應答幀判定采取了時(shí)間標記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間管理。在接收過(guò)程中，USART3每次接收中斷對TM2進(jìn)行復位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當總線(xiàn)空閑了3．5個(gè)字符的發(fā)送時(shí)間后，TM2由于缺少USART3的復位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應中完成關(guān)閉USART3結束數據通信和置應答幀接收完成標志位的操作。這種時(shí)間標記的程序均在后臺中斷中完成，主程序只需查詢(xún)接收完成標志位即可。
另一方面，由于從節點(diǎn)F2000-G可能存在著(zhù)超時(shí)、無(wú)應答等通信故障，這就需要主節點(diǎn)STM32F103ZET6進(jìn)行超時(shí)檢測。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統定時(shí)器，在芯片啟動(dòng)后就以后臺方式運行，按ms計時(shí)并實(shí)時(shí)更新系統時(shí)間。因此在MODBUS RTU的超時(shí)判斷中，主程序可以利用該時(shí)鐘，循環(huán)地查詢(xún)當前時(shí)刻，并和發(fā)送完請求幀的起始時(shí)刻比較，若閾值時(shí)間200 ms內仍然未收到請求幀，則認為通信失敗，返回應答超時(shí)碼。
3．3 數據幀處理
在完成數據幀正確接收的基礎上，STM32F0103ZET6必須進(jìn)行應答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統從接收緩沖區中讀取應答幀。首先提取ADU進(jìn)行地址碼和CRC校驗碼的判定；其次，再從PDU中提取ADU進(jìn)行數據長(cháng)度、功能碼、數據碼的判定；最后，如果校驗失敗則返回相應的校驗失敗碼，若校驗成功，則繼續從ADU／PDU中提取的數據進(jìn)行處理，完成變頻調速的各種功能操作。最終，整個(gè)協(xié)議實(shí)現的軟件流程如圖3所示。
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