基于ModBus的多路通信控制系统的设计方案

【摘 要】采用ModBus RTU通信协议，自行设计接口转换电路，使用C编程实现12路PMW控制，简化了系统复杂度，降低了成本，本文先介绍总的硬件系统设计，然后再介绍ModBus RTU协议以及具体实现方法，最终实现多路通信控制系统。

【关键词】ModBus RTU；PMW控制

0 引言

工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。ModBus就是工业控制器的网络协议中的一种，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。基于上述原理，本项目的伺服电机联动控制系统拟采用ModBus RTU通信协议进行数据通信，控制多路PMW输出，达到能够同时对多台电机联动控制的目的。传输介质采用无线介质，延长了通信距离，在工业应用中日趋广泛。

本项目利用上位机和多个多路PMW输出级联控制板卡相连，设计实现基于ModBus协议的上位机软件，监控、调整、微调多路PMW输出，可广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

1 通信系统硬件设计

1.1 控制系统硬件结构图

控制板卡采用自主研发的NMA_BPC1000同步控制器模块，主要用于控制多个变频器，单个控制模块具备12路DA信号输出。采用GY-12DA同步控制器模块，通过RS485通讯与PLC或电脑连接，产生0～10VDC模拟量输出。其板载资源包括：1路RS485接口，支持ModBus-RTU协议；12路DA输出，输出幅度0～10V；支持多个ModBus从站站点设置，最多支持9个站点；正常工作电压+24VDC，输入电压范围+22VDC～+26VDC，功耗4W。

本控制器具备1路RS485接口、电源输入接口及DA输出接口3中电气接口，其各自连接器在板上分布如下图1所示：

图1 NMA_BPC1000电气连接示意图

1.2 ModBus-RTU控制说明

GY_12DA支持ModBus-RTU协议，其读写操作支持单寄存器写（06功能码）、多寄存器读（03功能码）、多寄存器写（10功能码）。其控制寄存器及说明如下：

表1 NMA1000_BPC1000控制寄存器

1.2.1 电压设置寄存器（0x0～0xB）

ModBus寄存器地址0x0～0xB为用户读写设置地址，用来被用户写入DA输出值用，输入值范围为0～5000，对应输出电压为0V～10.00V。

此寄存器初始值为0。

1.2.2 电压满度微调寄存器（0x1000～0x100B）

ModBus寄存器地址0x1000～0x100B为维护及微调参数地址，用来对满度的输出电压10.00V进行微调使用，输入值范围为-10～10。此寄存器初始值在出厂前由厂家进行调整完毕，用户一般情况下禁止操作。此寄存器不可反复进行写入操作，用户调整完参数后应关闭此寄存器的写入操作，否则，将降低控制器的使用寿命。

2 通信系统下位机软件设计

2.1 ModBus RTU协议

ModBus是一种广泛应用于工业控制领域的标准通信协议，ModBus协议定义的是一种数据帧结构，独立于物理层介质，所以控制器能够识别和使用，而不管设备通信的网络类型，具有良好的适用性。当ModBus协议应用在标准ModBus网络.将被直接传送；如果应用在其他网络，ModBus协议将被封装到该网络的通信数据帧结构中发送。

ModBus通讯协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。ModBus协议连接工控设备可形成工业网络，进行集中监控。 RS-485是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接收器，可以实现一台PC与多台单片机之间的串行通信。而且RS-485的最长传输距离可达1200m，适合于远距离传输。本项目需要实现多站点通信，采用Rs-485串口通信标准。

本项目依据ModBus RTU模式协议，该协议特点有使用CRC校验，数据帧的开头和结尾都使用不少于3个半字符的时间间隔作为标志，数据帧的发送必须是一个连续的数据流，不允许中途停顿。

2.2 数据帧结构

ModBus数据帧包括几个部分，地址、功能码、校验码等。其中地址指的是从站栈号，取值为1-9，0为广播地址。功能码表示上位机要求从站执行何种操作。GY_12DA功能码有单寄存器写（06功能码）、多寄存器读（03功能码）、多寄存器写（10功能码）。从站收到上位机的功能码后，如果一切正常，将原样返回功能码，否则，将返回错误代码。提示上位机有错误发生。数据足请求和响应的主要内容。当上位机向从站请求读取寄存器内容时，数据将包括寄存器的起始地址及读取的寄存器个数。寄存器是从站存放数据的地方，它的起始地址是从l开始的。但是上位机计算是由0开始的.所以对应的实际寄存器地址应该加l。从站回送响应的数据包括数据长度、实际采集的数据。数据长度只是计算数据区的长度，并不管其他部分的长度。如果从站出现异常，数据就返回错误代码（Exception code），说明发生何种错误。

CRC校验即循环冗余校验，是一个16位字，加入到数据帧时CRC是低位在前，高位在后。

表2 ModBus数据帧格式

2.3 下位机通信软件设计

本系统单片机采用的是GY-12DA同步控制器模块，程序采用C语言编写。从实时性考虑，下位机的通信程序采用的是中断方式。该控制系统支持多点通信，最大支持9个站点，站点号选择开关E1采用旋转编码器实现，旋转编码器支持0～9共10个编码，其中0号编码为模块维护使用，编码1～9代表ModBus站点号1～9。

下位机通信终端程序流程图见图3，首先进行系统初始化（图2），其中需要对ModBus协议初始化和使能，3个定时器初始化，一个定时器控制4路PMW信号，从而控制12路PMW输出。检测RS485接口是否收到数据，启动ModBus定时器，检测是否接受到ModBus数据帧，如果数据帧在确定范围内，进行CRC校验，如果从站地址正好是当前站号，检测功能码是否存在，实现读写功能。

图2 系统初始化 图3 系统控制流程

3 结语

本文提出并设计了一种多路PMW控制板卡的设计与实现方案，可以适用于PC机和多个板卡之间的串行通信控制系统中，该控制板卡采用RS-485总线标准，半双工传输方式。下位机充分利用ModBus协议原理设计实现PMW多路控制输出，测试表明，该设计方案可行。

【参考文献】

[1]王有绪，许杰.PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001，5：136-160.

[2]杨旭雷，张浩.基于RS485总线的测控系统串行通信协议及软硬件实现[J].电气自动化，2002（2）：28-31.

[责任编辑：汤静]