Modbus RTU通信協(xié)議在MCF51QE128上的實(shí)現

引言

工業(yè)控制已從單機控制走向集中監控、集散控制，如今已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )集約制造時(shí)代。工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò )管理提供了方便。Modbus就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中的一種。Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通信規約。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )(例如以太網(wǎng))和其他設備之間可以通信。它已經(jīng)成為主流的工業(yè)標準之一。不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備通過(guò)Modbus協(xié)議可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中監控。

Modbus通信協(xié)議

每一個(gè)數據字節包括：每個(gè)字節的位、1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、最小的有效位先發(fā)送、1個(gè)奇偶校驗位（無(wú)校驗則無(wú)）、1個(gè)停止位（有校驗時(shí)）、2個(gè)停止位（無(wú)校驗時(shí)）。

在RTU模式下每個(gè)字節的格式（11bit）如下：
編碼系統：8位二進(jìn)制
字節組成：1bit起始位、8bit數據位，最低位最先發(fā)送、1bit奇偶校驗位、1bit停止位（或者沒(méi)奇偶校驗位，就發(fā)送一個(gè)附加的停止位）。

2 數據幀結構

地址碼：地址碼為通信傳送的第一字節。這字節表明由用戶(hù)設定地址碼的從機將接收由主機發(fā)送來(lái)的信息。并且每個(gè)從機都有唯一的地址碼，并且響應回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機地址，而從機發(fā)送的地址碼表明回送的從機地址。

功能碼：通信傳送的第二字節。ModBus通信規約定義功能號為1～127。根據實(shí)際需要只利用其中的一部分功能碼。作為主機請求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機執行什么動(dòng)作。作為從機響應，從機發(fā)送的功能碼與從主機發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進(jìn)行操作。如果從機發(fā)送的功能碼的最高位為１，則表明從機沒(méi)有響應操作或發(fā)送出錯。

表1 每一個(gè)完整的數據幀構成

數據區：數據區根據不同的功能碼而不同。數據區可以是實(shí)際數值、設置點(diǎn)、主機發(fā)送給從機或從機發(fā)送給主機的地址。

CRC碼：二字節的錯誤檢測碼。冗余循環(huán)碼檢查（CRC）包含兩字節，即16位二進(jìn)制。CRC碼由發(fā)送設備計算，放置于發(fā)送信息的尾部。接收信息的設備再重新計算接收到信息的CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。CRC碼的計算方法是，先預置16位寄存器全為1。再逐步把每8位數據信息進(jìn)行處理。在進(jìn)行CRC碼計算時(shí)只用8位數據位、起始位及停止位，如有奇偶校驗位的話(huà)也包括奇偶校驗位，都不參與CRC碼計算。

在計算CRC碼時(shí)，8位數據與寄存器的數據相異或，得到的結果向低位移一位，用0填補最高位。再檢查最低位，如果最低位為1，把寄存器的內容與預置數相異或，如果最低位為0，不進(jìn)行異或運算。

這個(gè)過(guò)程一直重復8次。第8次移位后，下一個(gè)8位再與現在寄存器的內容相異或，這個(gè)過(guò)程與以上一樣重復8次。當所有的數據信息處理完后，最后寄存器的內容即為CRC碼值。CRC碼中的數據發(fā)送、接收時(shí)低字節在前。在實(shí)際應用中，為了提高運算速度，采用了查表的方法取代計算方法。

3 Modbus RTU數據幀結構

在RTU模式下，每一個(gè)數據幀之間的間隔至少是3.5個(gè)字符位。一個(gè)完整的數據幀必須要連續的傳送，當一幀消息中兩字節間的間距大于1.5字符位時(shí)，此數據幀錯誤，被接受方放棄。

當通信波特率小于等于19 200b/s。對1.5個(gè)字符位/3.5個(gè)字符位計算時(shí)間有嚴格要求。當通信波特率大于19 200b/s。1.5個(gè)字符位固定為750μs,3.5個(gè)字符位固定為1.75ms。官方的Modbus RTU規定標準為3.5個(gè)字符長(cháng)周期，不同的串口設備由于使用環(huán)境不同可能在發(fā)送中出現5～10字長(cháng)的間隙。對于Modbus RTU來(lái)說(shuō)比較安全的設置為50ms。

4 用到的功能代碼

用到的功能代碼如表2所示。

表2 功能代碼

MCF51QE128的主要特性

系統核心控制器采用的是Freescale公司推出的32位單片機MCF51QE128。它是一款32位ColdFire V1 MCU，特點(diǎn)包括：停止電流降至370nA，6μs喚醒時(shí)間，超低運行電流為50mA；50.33MHz ColdFire V1內核運行頻率；25.165MHz的總線(xiàn)頻率；最大為8KB的RAM；最高128KB的閃存；24信道的12位ADC；兩個(gè)模擬比較器；2xSCI、2xI2C、2xSPI；一個(gè)6信道和兩個(gè)3信道的定時(shí)器PWM模塊；RTC；最多70路通用輸入/輸出（GPIO）；系統集成頻率鎖定環(huán)（FLL）和軟件看門(mén)狗；內部時(shí)鐘源（ICS）；低功耗外部32kHz振蕩器；電壓范圍為1.8～ 3.6V；增強型內部振蕩器、電壓調節器和實(shí)時(shí)計數器。通用開(kāi)發(fā)環(huán)境是CodeWarrior for Microcontrollers 6.0。

軟件設計

1 接收軟件流程
如圖1所示。

圖1 從機軟件流程

2 配置串口和定時(shí)器

void usart_init()
{
SCI1C1=0x13;//9bit character mode,odd parity
SCI1C2=0x2c;
SCI1BDL=0x29;//38400bps
SCI1BDH=0;
}
void timer3_init(void)//8MHz主時(shí)鐘1333Hz中斷判斷命令包結束
{
TPM3CNTH=0;
TPM3CNTL=0;
TPM3MODH=0x49;
TPM3MODL=0xbe;
TPM3SC=0x48;
}

3 MCF51QE128解包modbus RTU的程序

void interrupt VectorNumber_ Vsci1rx SCI_RX_ISR(void)//字節接收程序
{
if(SCI1S1_PF==1)communication_error=1;//字節校驗錯誤置通信失敗標志位
*(pointer_RX1)=SCI1D;//將數據放入緩沖隊列
pointer_RX1++;//隊列指針后移
len_RX1++;//收到字節長(cháng)度加1
timer3_reset();//定時(shí)器復位
timer3_init();//定時(shí)器重啟動(dòng)
}
void interrupt VectorNumber_Vtpm3ovf Timer3_ISR(void)//判斷命令包接收結束
{
timer3_cnt++;//定時(shí)器中斷次數加1
if(timer3_cnt==2)
{
timer3_reset();//定時(shí)器復位
pointer_RX1=Buffer_RX1;//隊列指針初始化
full_RX1=1;//收完置標志位
}
}

4 CRC查表產(chǎn)生函數

由于篇幅有限，此處不再詳述，表具體內容可參照相關(guān)參考文獻。

總結

筆者的設計基于MCF51QE128控制核心來(lái)實(shí)現Modbus協(xié)議，已經(jīng)成功進(jìn)行了實(shí)際應用，通信可靠，而且實(shí)現起來(lái)比較容易。該設計為采用MCF51QE128微控制器進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設計通信的應用提供了參考方案。