ModBus协议在工业控制系统中的应用

３．１ 系统的硬件设计
系统主要由通讯电路（ 输入） 、 数据采集、 输出控 制、 通信及电源模块等组成。如图 １ 所示 ， ＬＣＤ 显示、 系统具有对外界温度信号进行采集的能力 ， 采集的模 拟信号经 Ａ／Ｄ 模块转换为相应的数字量 ， 送入微处理 器进行处理。采集到的每一路温度都要与系统此路的
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
（ 上海理工大学 ） 朱
懿 蒋念平
Ｚｈｕ ， Ｙｉ Ｊｉａｎｇ，Ｎｉａｎｐｉｎｇ
摘要 ： 随 着 计 算 机 网 络 、 通讯、 控制等技术的发展， 信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、 管理的 各 个 层 次 。 基 于 现 场 总 线 的 智 能 仪 表 对 现 场 总 线 技 术 在 我 国 的 推 广 应 用 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 本 文 在 Ｍｏｄｂｕｓ 现 场 总 线 协 议的基础上设计了一个工业温度控制系统。 关键词 ： 现场总线 ； ＭｏｄＢｕｓ 协议 ； 单片机控制 文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ： ＴＰ３９３
２．１ ＡＳＣＩＩ 模式
当控制器设为在 ＭｏｄＢｕｓ 网络上以 ＡＳＣＩＩ 模式通 信 ， 在消息中的每个 ８Ｂｉｔ 字节都作为两个 ＡＳＣＩＩ 字符 发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可 达到 １ 秒而不产生错误。
表 １ ＡＳＣＩＩ 模式的消息帧

２．２ ＲＴＵ 模式
当控制器设为 ＲＴＵ 模式时 ， 消息帧中的每个 ８Ｂｉｔ 字节包含两个 ４Ｂｉｔ 的十六进制字符。
表 ２ ＲＴБайду номын сангаас 模式的消息帧
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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。 在 ＲＴＵ 模式中整个 消息 帧 必 须 作 为 一 连 续 的 流 转输 ， 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。 当 控 制 器 设 为 ＲＴＵ（远 程 终 端 单 元 ）模 式 通 信 时 ， 消息中的 每个 ８Ｂｉｔ 字 节 包 含 两 个 ４Ｂｉｔ 的 十 六 进 制 字 符。 这种模式与 ＡＳＣＩＩ 模式相比在同样的波特率下 ， 可 比 ＡＳＣＩＩ 模式传送更多的数据。
技 术 创 新
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎｅｔ， ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ｔｈｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘ－ ｃｈａｎｇｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｐ－ ｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ，Ｉ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ＭｏｄＢｕｓ，ｔｈｅｎ Ｉ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ＦｉｅｌｄＢｕｓ；ＭｏｄＢｕｓ Ｐｒ ｏｔｏｃｏｌ；ＭＣＵ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ
４８５ 插卡或者 ＲＳ－ ２３２／ ＲＳ－ ４８５ 转换模块 ， 实现多点通 信 ， 这里选用的是 ＲＳ－ ２３２／ＲＳ－ ４８５ 转换模块。通信电 路原理图 （略可向作者索取 ）： ＳＭ５９６４ 的 串 行 发 送 端 口 ＴＸＤ 和 接 收 端 口 ＲＸＤ 经 ＭＡＸ２３２ 芯片进行电平转换后 ， 分别与 ＰＣ 机的数 据 接 收 端 口 ＲＸＤ 和 数 据 发 送 端 口 ＴＸＤ 相 连 接 。 ＳＭ５９６４ 串行通信的发送端 ＴＸＤ 连接到的 １１ 引脚 ， 发 出的数据信号经过 ＭＡＸ２３２ 芯片转换后 ， 由 ０～ ５Ｖ 的 ＴＴＬ 电平变为 － １２～ ＋１２Ｖ 的 ＲＳ２３２ 电平 ， 从 １４ 引 脚输 出到 ＰＣ 机串行口的第二引脚。按 ＲＳ２３２ 通信协议规 定 ， ＰＣ 机串行口的第二引脚为数据输入端 ， 这样 ， 发出 的数据就可被 ＰＣ 机接收到。 由 ＰＣ 机串行口的发送端 ＴＸＤ（ ＰＣ 机 串 行 口 的 第 三 引 脚 ） 传 输 来 的 数 据 ， 作 为 ＲＳ２３２ 电 平 的 信 号 输 入 到 ＭＡＸ２３２ 芯 片 的 第 １３ 引 脚 ， 经 过 ＭＡＸ２３２ 芯 片 进 行 电 平 转 换 后 变 为 ＴＴＬ 电 平 ， 再由 ＭＡＸ２３２ 的 １２ 引脚输出到 ＳＭ５９６４ 串行口的 接收端口 ＲＸＤ。从而完成数据的双向传输。 在设计中 ， 使用了两个发光二极管 Ｄ７ 和 Ｄ８ 监视
ＭｏｄＢｕｓ 协 议 包 括 ＡＳＣＩＩ， ＲＴＵ， ＰＬＵＳ， ＴＣＰ 等 ， 并 没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使
用的消息结构 ， 而不管它们是经过何种 网络进行通 信 的。标准的 ＭｏｄＢｕｓ 是使用 ＲＳ－ ２３２Ｃ 兼容串行接口 ， 接线、 信号电平、 波特 ＲＳ－ ２３２Ｃ 规 定 了 连 接 器 针 脚 、 率、 奇偶校验等信息 ， ＭｏｄＢｕｓ 的 ＡＳＣＩＩ， ＲＴＵ 协议则在 此基础上规定了消息、 数据的结构、 命令和应答的方 式。ＭｏｄＢｕｓ 控制器的数据通信采用 Ｍａｓｔｅｒ／Ｓｌａｖｅ 方式 （ 主 ／ 从 ） ， 即 Ｍａｓｔｅｒ 端发出数据请求消息 ， Ｓｌａｖｅ 端接收 到 正 确 消 息 后 就 可 以 发 送 数 据 到 Ｍａｓｔｅｒ 端 以 响 应 请 求 ；Ｍａｓｔｅｒ 端 也 可 以 直 接 发 消 息 修 改 Ｓｌａｖｅ 端 的 数 据 ， 实现双向读写。

（ＡＳＣＩＩ 码 ３ＡＨ） 作 为 起 始 位 ， 以 回 车 换 行 符 （ＡＳＣＩＩ 码 ０ＤＨ， ０ＡＨ）作为结束符。传输过程中 ， 网络上的设备不
断侦测“ 字符 ， 当有一个冒号接收到时 ， 每 个设备就 ：” 解码下个位的地址域 ， 来判断是否发给自己的。与地 址域一致的设备继续接受其它域 ， 直至 接受到回车 换 行符。除起始位和结束符外 ， 其他域可以使用的 传输 字符是十六进制的 ０ … ９ ， Ａ… Ｆ， 当然也要用 ＡＳＣＩＩ 码 表示字符。当选用 ＡＳＣＩＩ 模式时 ， 消息帧使用 ＬＲＣ（ 纵 向冗长检测 ） 进行错误检测。
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控制系统
温度设定值进行比较 ， 然后根据结果调 用合适的控 制 算法 ， 并通过控制相应的继电器的 占空比实现 对温度 的调节。 考虑到系统实际应用 ， 在硬件设计方面 ， 微控制器 选 用 了 台 湾 Ｓｙｎｃｍｏｓ 公 司 生 产 的 ８ 位 微 控 制 器 ＳＭ５９６４， 它是 ８０Ｃ５２ 微控制器 家族的派生 产品 ， 其强 大的片内资源 ， 只需添加少量的外围器件 即可实现系 统的要求。温度测量利用 Ｐｔ （ １００Ω ） 热敏电阻 ， 测量的 模拟信号经 Ａ／Ｄ 模块转换后送入微处理进行处理。模 数 转 换 器 选 用 凌 特 公 司 （Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 推 出 的 ２０ 位无延迟模数转换器 ＬＴＣ２４３０ ， 此模块可直接对测量 的毫伏级信号进行处理 ， 并能够满足精 度要求。其它 也选用了与通信和输出控制相关的器件。



图 １ 系统结构框图
技 术 创 新
由于篇幅关系 ， 只介绍本系 统通信部分 的电路原 理。 由于标准的 ＭｏｄＢｕｓ 物理层采用了 ＲＳ－ ２３２ 串行通 信标准 ， 在 ＰＣ 机上 模拟 ＭＯＤＢＵＳ 通信通 过使用 ＲＳ－
３ 系统设计
本文所设计的 系统是一个 基于 ｍｏｄｂｕｓ 的工业 控 制网络， 它主要由实现现场控制功能的智能控制仪 表、 实现对智能控制仪表在线配置与监控功能 的主机 两部分组成。作为从机的现场智能控制仪表主要任务 有： 实现现场温度采集、 输出控制、 显示、 系统配置以 及响应主机激励 ； 主机的主要任务是在线配置从机 、 监控从机从而得到相应从机的状态、 历 史温度数据 分 析 ； 两者之间的通讯是基于现场总线技术的。
间、 远 程 ＰＬＣ 和 计 算 机 之 间 以 及 远 程 计 算 机 之 间 （ 通 过 Ｍｏｄｅｍ 连接 ） ， 可见 ＭｏｄＢｕｓ 的应 用是相当广 泛的。 由于 ＭｏｄＢｕｓ 是一个事实上的工业标准 ， 许多厂家的 组 态 软 件 都 支 持 ＭｏｄＢｕｓ， 而 且 ＭｏｄＢｕｓ 是 ＰＬＣ， ＨＭＩ 、 一个开放标准， 其协议内容可以免费获得， 一些小型 厂商甚至个 人都可根据协 议标准开发 出支持 ＭｏｄＢｕｓ 的产品或软件 ， 从而使其产品联入到 ＭｏｄＢｕｓ 的数据 网络中。 因此 ， ＭｏｄＢｕｓ 有着广泛的应用基础。 在实际应 用中 ， 可以使用 ＲＳ２３２， ＲＳ ４８５ ／４２２ ， Ｍｏｄｅｍ 加电话 线、 甚至 ＴＣＰ／ＩＰ 来联网。所以 ， ＭｏｄＢｕｓ 的传输介质种 类较多 ， 可以根据传输距离来选择。
１ ＭｏｄＢｕｓ 协 议 简 介
当今世界， 工业控制已从单机控制走向集中监 控、 集散控制。在进入网络时代的今天 ， 工业控制器连 网也为网络管理提供了方便。 ＭｏｄＢｕｓ 协议就是工业控 制器的网络协议中的一种。 ＭｏｄＢｕｓ 协议是 Ｍｏｄｉｃｏｎ 公 司于 １９７８ 年发明的一种用于电 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。