基于modbus通信协议的智能开关

二、系统框图：
系统框图
三、系统硬件设计
3.1、串行接口标准
RS-232C标准是目前最常用的串行接口标准，PC机里的COM1、COM2接口和单片机的RXD、TXD脚都属于RS-232C接口。RS-232C规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校验等信息。最大数据传输速率为20kb/s，最大传输距离是15m，所以只能近程通信。
本设计采用异步串行半双工通信方式，通信波特率设置为9600b/s，Modbus消息帧采用RTU模式。RS-232C标准是目前最常用的串行接口标准，PC机里的COM1、COM2ห้องสมุดไป่ตู้口和单片机的RXD、TXD脚都属于RS-232C接口。RS-232C规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校验等信息。最大数据传输速率为20kb/s，最大传输距离是15m，所以只能近程通信。其逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同，逻辑0电平规定是+3--+15v之间，逻辑1电平是-3--- -15v之间。所以，RS-232C驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换电路。一般微处理器和单片机的信号电平都是TTL电平，与RS-232C规定的逻辑电平不一致，pc串口输入/输入的是232电平，所以要对两者进行电平转换，这种转换是通过专用的电平转换芯片来实现的。
编码系统：
·8位二进制，十六进制数0...9，A...F
·消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成
每个字节的位（11位）：
·1个起始位
·8个数据位，最小的有效位先发送
·1个奇偶校验位，无校验则无
·1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
如何串行的传送字符：发送每个字符或字节的顺序是从左到右：最低有效位，……最高有效位。RTU模式中一个字符的消息格式为：
(4)如果最低位（这里的最低位是指移位前的最低位，即被移出的那一位！）为0，重复第三步（再次移位）；如果最低位为1，CRC寄存器与多项式码A001H进行异或；
(5)重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；
(6)进行下一个字符的8位数据的处理，重复步骤2到5；
(7)最后得到的寄存器的里的值即为CRC。
4.1.1、Modbus通信协议简介
Modbus通信协议一种用于电子控制器进行控制和通讯的通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以进行通信。它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以简单可靠地连成工业网络，进行系统的集中监控，从而使它成为最流行的协议之一。Modbus消息帧可分为两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
(3)数据区
数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。
Modbus消息帧可分为两种传输模式：ASCII模式和RTU模式，在此主要介绍RUT模式，其特点是：在命令报文（包含地址码、功能码、数据等）之前添加起始位（帧头），之后添加结束符（帧尾），这样就封装了完整的RTU帧，其中，帧头和帧尾为4个字符延时时间的等待。RTU消息帧使用RTU模式，当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。RTU模式中每个字节是11位的，其格式是：
4.1.3各个代码的含义
（1）地址码
地址码是信息帧的第一字节(8位)，从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。
（2）功能码
通讯传送的第二个字节。主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。具体每个功能码对应的具体含义见书：《从Modbus到透明就绪》这本书。（机械工业出版社）。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作；作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为１(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。
起始
1
2
3
4
5
6
7
8
校验（停止）
停止
一个字符的消息格式
一个RTU消息帧是由很多个上面的字符消息组成的。
4.1.2RTU模式的消息帧格式：
起始位
设备地址
功能代码
数据
CRC校验
结束符
T1-T2-T3-T4
8Bit
8Bit
N个8Bit
16Bit
T1-T2-T3-T4
RTU模式的消息帧
该模式下消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输过程中，网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，相应的设备就对接下来的传输字符进行解码，一旦有至少3. 5个字符时间的停顿就表示该消息的结束。
(4)错误校验码
主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。CRC法的原理：传统的差错检验法有：奇偶校验法，校验和法，行列冗余校验法等。这些方法都是在数据后面加一定数量的冗余位同时发送出去，例如在单片机的通讯方式2和3中，TB8就可以作为奇偶校验位同数据一起发送出去，在数据的接收端通过对数据信息进行比较、判别或简单的求和运算，然后将所得和接收到的冗余位进行比较，若相等就认为数据接收正确，否则就认为数据传送过程中出现错误。但是冗余位只能反映数据行或列的奇偶情况，所以这类检验方法对数据行或列的偶数个错误不敏感，漏判的概率很高。因此，此种方法的可靠性就差。循环冗余码校验英文名称为Cyclical Redundancy Check，简称CRC。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测（Error Detecting）的。只有每个字符中的8位数据位参与生成CRC的计算，起始位、停止位和校验位不参与CRC的计算。实际应用时，发送装置计算出CRC值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通讯出现错误。由于这种方法取得校验码的方式具有很强的信息覆盖能力，所以它是一种效率极高的错误校验法。错误的概率几乎为零。根据应用环境与习惯的不同，CRC又可分为以下几种标准：①CRC－12码；②CRC－16码；③CRC－CCITT码；④CRC－32码。
基于modbus通信协议的智能开关
一、引言：本方案设计的是基于modbus通信协议的智能开关，基于modbus通信协议实现PC机和单片机之间的通信，达到用PC向单片机发送指令，单片机响应指令去控制开关的状态，并向PC机返回消息的目的。利用RS232串行通信方式和Modbus通信协议，实现对开关的智能控制。
MAX232硬件连接图
3.3、系统硬件电路连接图：
系统硬件电路连接图
四、软件设计
异步通信以帧的形式发送字符数据，每一帧的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位构成。异步通信中每传送一个字节就要使用起始位和停止位，所以传输速度慢，但是传输距离远。串行口通常使用缓冲区SBUF。发送数据时，先将数据放入发送串行寄存器SBUF，串口准备好之后，就将其发送出去；传来数据时，迅速申请中断，接收并放入接收串行寄存器SBUF，以供读取。在单片机系统中发送数据时，比较常用的方法就是直接调用“串口发送单个字节数据的函数”，这种方法的缺点是需要处理器在发送过程中全程参与，优点是所要发送的数据能够立即出现在通信线路上，能够立即被接收端接收到。另外一种发送的方法就是采用中断发送的方式，所有需要发送的数据被送入一个缓冲区，利用发送中断将缓冲区中的数据发送出去。这种方法的优点是占用处理器资源小。对于51系列的单片机，比较倾向于采用直接发送的方式，采用中断发送的方式比较占用RAM资源，中断向量即中断服务程序入口地址。中断向量表设置在RAM最底端的1024单元内。中断类型码共有256种。每个中断向量占用4个字节，其中底位2个字节为中断服务程序入口地址的偏移量，高位2个字节位中断服务程序的段基址。中断类型码乘以4，即可得到中断服务程序人口地址第一个字节的地址，而且对比直接发送来说也没有太多的优点。本文采用直接发送的方式。
{
crc=str[i]^0x00ff; //CRC寄存器的地位与第一个字符相异或
for(j=0; j<8;j++ )
{
if(crc&0x0001) //判断最低位的值是否为1
{
crc^=0xa001;//最低位是1，则CRC的值与AOO1H相异或，结果放入CRC中。
crc>>=1; //右移一位
在RTU模式中整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3. 5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。如果在传输过程中有以上两种情况发生的话，必然会导致CRC校验产生一个错误消息，反馈给发送方设备。
下面是51系列单片机中发送单个字节的函数（非中断）：