利用MODBUS提高多CPU協(xié)同開(kāi)發(fā)效率

表1 MODBUS協(xié)議中的標準功能碼

由功能碼的定義可以看出，傳送的報文對象主要分為模擬量和數字量?jì)深?lèi)，由報文頭的功能碼來(lái)確定報文的內容。在實(shí)際應用中，主要使用02、04、05和06這四種功能碼，完成對數字量和模擬量的讀取及設置。

數據起始地址和數據量是報文的主要內容。MODBUS規定的數據量是從通信對象的器件中讀取的數據或是往通對象的器件中寫(xiě)入的數據。每個(gè)通信對象器件都有自己的地址。在保護裝置的內部通信中，指定各通信對象器件為主機板的RAM中保存的數字量和模擬量，以及EEPROM中設定的保護配置和定值。在處理通信報文時(shí)，由報文的數據起始地址和對應的數據量長(cháng)度進(jìn)行讀取或發(fā)送任務(wù)。當傳送數字量時(shí)，不同地址的數據值用報文中數據量不同的位來(lái)表示，這樣就能傳送更多的數據信息，從而高效地利用通信報文。由于每幀數據不定長(cháng)，方便靈活，因而避免了固定幀長(cháng)造成的對CPU時(shí)間和內存空間的浪費。另外，MODBUS通信協(xié)議規定在通信字符串中的地址比實(shí)際地址小“1”，這對數組進(jìn)行操作時(shí)是一個(gè)方便之處。

報文末的兩個(gè)字節為校驗字節。RTU方式通信采用CRC-16位循環(huán)碼冗余校驗，即將整個(gè)字符串（不包括最后兩個(gè)字節）按規定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行異或計算，計算結果存在字符串的最后兩個(gè)字節內，并由接收方按同樣的計算方法進(jìn)行校驗是否一致。這種校驗方法對隨機或突發(fā)差錯造成的幀破壞有很好的校驗效果。

3 提高通信效率的措施

在確立硬件平臺和通信協(xié)議后的軟件設計過(guò)程中，筆者采用了很多方法提高通信的效率和可靠性。

3.1 將通信分為接收和發(fā)送兩個(gè)獨立的任務(wù)[3]

80C196單片機可以使用查詢(xún)和中斷兩種方法通過(guò)串行口發(fā)送和接收數據。對于中斷方式，80C196單片機提供了兩種串口中斷方式：第一種方式為一個(gè)單獨的串口中斷，由中斷屏蔽寄存器INT_MASK的D6位控制，對應中斷向量200CH，串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT（11H）的D5（發(fā)送完標志TI）和D6（接收完標志RI）置位都將觸發(fā)該中斷；第二種方式為接收、發(fā)送分別設置了中斷號，使用INT_MASK1的D0位對應發(fā)送中斷，中斷向量2030H，TI置位觸發(fā)該中斷；INT_MASK1的D1位對應收中斷，中斷向量2032H，RI置位觸發(fā)該中斷。筆者采用了第二種通信方式。這樣每接收完或發(fā)送完一個(gè)字節后就觸發(fā)相應的中斷，直接進(jìn)行下一輪的接收、發(fā)送任務(wù)，而不必判斷串口控制/狀態(tài)寄存器SP_CON/SP_STAT（11H），使得中斷子程序更為簡(jiǎn)練、高效。

3.2 盡量縮短中斷時(shí)間

由于設計軟件結構時(shí)使用了多個(gè)中斷，為了保證程序的可靠運行，減少不同不斷間互沖突的機率，在編制軟件時(shí)盡可能簡(jiǎn)練各種中斷的任務(wù)，縮短中斷執行時(shí)間。在通信中斷子程序中，進(jìn)入中斷后執行必要的任務(wù)，如：清串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT中相應的狀態(tài)位，將剛接收到的字符或需要發(fā)送的字符從緩沖區內讀出或寫(xiě)入緩沖區，已接收或發(fā)送字符數增1等，之后便立即退出中斷。其它任務(wù)如判斷幀的有效性、對接收幀命令（遙測、遙控命令）的應答，準備發(fā)送幀等，都放在主程序中完成。

3.3 可靠地判斷幀結束，防止通信停滯

利用單獨的軟件定時(shí)器，來(lái)判斷一幀接收報文結束，可以防止若報文接收不完整，該幀通信任務(wù)無(wú)法結束而影響下一幀的接收。

由于一幀報文中字節與字節之間的時(shí)間間隔和幀與幀之間的時(shí)間間隔相比要小得多，因此每當接收一個(gè)新字節，就啟動(dòng)軟件定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，定時(shí)器的時(shí)間設定為幀與幀的最小時(shí)間間隔。波特率不同，該時(shí)間間隔也不同。若不到預定的時(shí)間內又接收到下一個(gè)字節，則說(shuō)明一幀報文未結束，定時(shí)器重新計時(shí)；若定時(shí)器順利計數到預定時(shí)間，就會(huì )觸發(fā)相應的中斷號，在該定時(shí)器中斷子程序中設定幀結束標志字節，表明一幀報文接收完畢。當主程序內檢測到一幀報文接收完畢后，會(huì )通過(guò)核查從方地址及循環(huán)冗余校驗字節是否正確來(lái)判斷該幀的有效性。若確定接收到的是一幀發(fā)送給已方的正確報文，則會(huì )根據報文內的功能碼對該幀命令進(jìn)行相應的處理，并準備發(fā)送幀。

MODBUS協(xié)議還規定了從方接收報文不正確時(shí)發(fā)回的出錯幀?？紤]到裝置內部通信的過(guò)程不很復雜，在實(shí)際應用中如果從方收到的報文校驗不正確，采取不作應答的方式。主方若在規定時(shí)間內未收到從方的應答報文時(shí)，將重發(fā)請求報文；若多次未收到從方應答報文，則報通訊故障。

3.4 通信速率的確定

由于所開(kāi)的裝置都在同一機箱內，模塊與模塊之間的間距很短，而MODBUS是基于RS485的長(cháng)距離通信，可以不考慮距離對通信波特率的影響，并且由于采用主從式通信模式，不會(huì )出現線(xiàn)路堵塞現象。因此，僅從通信效率來(lái)看，只要不超過(guò)模塊所使用芯片對最高波特率的限制，則設定的波特率越高，信息交互越快，通信效率也越高。但是，對于實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，必須注意各任務(wù)的協(xié)調。MODBUS通信協(xié)議中只對各種通信報文格式作了規定，對通信波特率和奇偶校驗等不作硬性規定。當一幀報文的長(cháng)度較長(cháng)，而波特率又很高，會(huì )導致CPU忙于處理通信而可能丟失其它實(shí)時(shí)性任務(wù)，如實(shí)時(shí)采樣等。因此，選擇通信波特率時(shí)必須注意與其它任務(wù)相協(xié)調，而不是越高越好。在實(shí)際應用中，將波將率設置到19200bps，系統調調運作。由于設定通信雙方波特率完全一致，可以使接收端對每一個(gè)數據位的采樣都發(fā)生在位周期的中點(diǎn)，實(shí)現可靠通信。另外，在字符傳送時(shí)不使用奇偶校驗位，以此相對提高了有效字節傳遞的速率。

3.5 合理的調試方法

在開(kāi)發(fā)初期，使用仿真器等工具只能對單一CPU模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，而無(wú)法同時(shí)監測串行通信雙方，難以確定問(wèn)題所在，使調試效率受到很大影響。因此先將各CPU模塊分別通過(guò)RS485/RS232數據轉換模塊與微機進(jìn)行通信測試，成功后再進(jìn)行模塊間聯(lián)調，大大提高了聯(lián)調的效率。在調試各模塊與微機通信的過(guò)程中，微機使用MODBUS調試軟件，模仿主方的通信過(guò)程，主動(dòng)向從方（各CPU模塊）索要信息。整個(gè)接收、發(fā)送過(guò)程都是透明、清晰的，使得模塊中存在的絕大多數問(wèn)題都能在與微機通信的過(guò)程發(fā)現并及時(shí)解決。CPU模塊間聯(lián)調時(shí)，可以利用總線(xiàn)監控軟件，觀(guān)察雙方發(fā)送的數據。當遇到通信問(wèn)題的時(shí)候，就能比較容易地確定是哪一個(gè)模塊發(fā)送數據不正確，從而確定問(wèn)題所在。采用這樣的調試方法，大大增強了不同開(kāi)發(fā)人員、不同CPU之間的協(xié)調性，提高了裝置研發(fā)的效率和進(jìn)度。