摘 要：提出了一套基于Modbus協(xié)議的總線控制系統(tǒng)，分析了Modbus協(xié)議的特點，介紹了Modbus協(xié)議的內容及通信過程，給出了系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)流程圖及部分校驗代碼。

　　關鍵詞：Modbus，現(xiàn)場總線，電火花，RTU

　　0. 前言

　　國內的大多數(shù)電火花設備由于實時性等方面的要求，控制系統(tǒng)均是基于dos環(huán)境設計，這種系統(tǒng)能滿足電加工的基本要求，但也大大影響了人機交互的改進以及遠程通信等現(xiàn)代控制的要求;模塊化結構可裁減性強，便于滿足不同用戶的需求，是系統(tǒng)深入發(fā)展的良好基礎;專業(yè)化的信號采集設備及檢測裝置成為系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運行的保障;應用網(wǎng)絡技術，可做到信息處理綜合化，智能化;與此同時，VB、VC以及各種組態(tài)軟件的發(fā)展為人機界面及總線控制的發(fā)展的提供了良好的開發(fā)環(huán)境，使我們能夠設計出更為合理及人性化的系統(tǒng)。本文試圖將現(xiàn)場總線理論應用于電火花加工機床，并最終通過使用Modbus協(xié)議實現(xiàn)各設備之間的互聯(lián)。[4]

　　現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式，數(shù)字化，多點通信的底層控制網(wǎng)絡。[5][6]在整個工廠的控制網(wǎng)絡中，現(xiàn)場總線處于重要的基礎地位。

　　1. 控制系統(tǒng)結構

　　1.1 系統(tǒng)基本結構

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一般采用上位計算機結合下位智能儀表來實現(xiàn)控制功能。在本系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的檢測裝置簡單易用，因此采用微控制器來讀取信號并最終傳輸給上位機。一般來說，總線系統(tǒng)主要包括變送器，總線和檢測站。在本套系統(tǒng)中，微控制器和檢測裝置成為智能儀表即變送器，它作為從機使用，但確是系統(tǒng)的核心部件，而上位機即檢測站主要完成人機交互的任務以及一些優(yōu)化、復雜計算和控制的功能。個性化的人機界面以及標準化的總線結構設計，可方便的擴展系統(tǒng)的控制功能。

　　整套系統(tǒng)結構圖如圖1所示，系統(tǒng)最主要包括一個服務器，一臺pc機，三個微控制器及相關檢測設備。

　　圖1 系統(tǒng)結構圖

　　這幾層的工作主要包括：

　　1. 最底層為數(shù)據(jù)采集層，需要從現(xiàn)場采集實時的數(shù)據(jù)，比如油溫，油面高度等。三個微控制器作為現(xiàn)場控制層的核心器件，每個被賦予唯一的本機地址用以識別身份。微控制器即變送器也是整個系統(tǒng)的核心設備，其作用主要是采集間隙電壓，液位油溫，限位報警，手控盒控制等實時數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)伺服控制，自動滅火，風扇開關，定時抬刀等功能，并同時將數(shù)據(jù)輸出到modbus現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡。

　　2. 現(xiàn)場控制層的任務是將所有的加工狀態(tài)通過雙腳電纜送至控制室的監(jiān)控計算機，組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，而在此網(wǎng)絡中，所有傳輸?shù)男畔⒕裱璵odbus協(xié)議。Modbus現(xiàn)場總線將現(xiàn)場變送器和檢測站連接成一個測控網(wǎng)絡，實現(xiàn)電火花加工的監(jiān)測計量與管理。

　　3. 工廠監(jiān)控層安裝人機界面軟件，負責監(jiān)視所有加工參數(shù)即電規(guī)準，以及所有相關數(shù)據(jù)的顯示及鍵盤輸入信息處理等人機交互過程。pc機作為監(jiān)控計算機，通過以太網(wǎng)連接到遠程管理中心，實現(xiàn)向上進行網(wǎng)絡運行;監(jiān)控計算機可以安裝moden，通過現(xiàn)場進行單擊操作。

　　4. 最上層為遠程管理層，可以由以太網(wǎng)，top等局域網(wǎng)段組成，一般設服務器，pc機與服務器之間通過以太網(wǎng)卡，網(wǎng)關相連，也可通過路由器連接至廣域網(wǎng)。服務器是系統(tǒng)的外擴部分，可以選用。

　　1.2 物理實現(xiàn)

　　目前，可以通過下列三種方式實現(xiàn)Modbus通信：以太網(wǎng)上的TCP/IP;各種介質(有線：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A;光纖、無線等)上的串行鏈路上傳輸;Modbus PLUS，一種高速令牌傳遞網(wǎng)絡。選擇何種實現(xiàn)方式主要是依據(jù)他所連接的設備所處的地位。一般采用標準的232口即可，但由于計算機上的rs232傳送的距離不超過30m，因此可以選用485接口。除此之外，422口也為標準串行數(shù)據(jù)接口，表1列出了他們之間的主要差別。本套系統(tǒng)采用了隔離的RS-485通信方式來提供對Modbus的硬件支持。

　　表1 有線介質傳輸性能對比表

　　Modbus系統(tǒng)是一種主從網(wǎng)絡，容許一個計算機和一個或多個從機通信。當在Modbus網(wǎng)絡上通信時，每個控制器都有自己的設備地址，主機識別按地址發(fā)來的消息，并決定要產(chǎn)生何種行動。當在其他網(wǎng)絡上傳輸時，包含了Modbus協(xié)議的消息轉換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結構。此時，控制器既可以作為主設備也可以作為從設備, 但不能兩者同時兼?zhèn)洹?/p>

　　根據(jù)各種設備的不同接口，總線上還可以串聯(lián)打印機等設備，也可以將這些設備直接連接至監(jiān)控計算機的打印機端口或USB口，實現(xiàn)通信。

　　芯片要根據(jù)所接收的信息進行選擇，如果是數(shù)字量，則最常見的單片機或pic微控制器等均可選用，如果是模擬量如間隙電壓，則要選擇帶模擬端口的芯片。

　　電纜選擇可以根據(jù)所選擇的傳輸通道及距離來確定，這里選用的是帶屏蔽的雙絞電纜。

　　2 Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是OSI模型第七層上的應用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡的設備之間提供客戶機/服務器通信?；ヂ?lián)網(wǎng)組中已經(jīng)保留TCP/IP系統(tǒng)端口502用以訪問Modbus，Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種流行的工業(yè)控制傳輸標準。

　　2.1 協(xié)議內容

　　Modbus協(xié)議定義了消息與格式和內容的公共格式，主要采用命令/應答方式，每一種命令報文都對應著一種應答報文，命令報文由主站發(fā)出，當從站收到后，就發(fā)出相應的應答報文進行相應。Modbus的信息幀包括站點、字節(jié)長度、功能碼、操作地址、操作數(shù)據(jù)、CRC校驗值等。在Modbus系統(tǒng)中有兩種有效的傳遞模式即ASCII(美國標準信息交換碼)和RTU(遠程終端裝置)模式。內容格式及字符長度如下：[2]

　　由于RTU模式傳輸位數(shù)少，使用方便，本文內容均采用RTU模式。

　　2.2 通信過程

　　Modbus主從節(jié)點之間通信過程大致為：

　　(1)從節(jié)點通過特定的端口與主節(jié)點建立連接，等待接收主節(jié)點發(fā)送的請求幀信號。

　　(2)主節(jié)點根據(jù)實際需要達到的目的選擇合適的功能，將其對應的功能代碼保存在ADU的功能代碼域，把必要的參數(shù)和子功能代碼保存在數(shù)據(jù)域中，并將傳輸標志、協(xié)議標志、數(shù)據(jù)長度等存放在標志域中，從而組成一個完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到從節(jié)點。

　　(3)從節(jié)點對收到的請求幀經(jīng)過錯誤檢測后，根據(jù)協(xié)議的規(guī)定將其分解成基本功能單元，并按照功能代碼的要求完成特定的操作，最后還要返回一個功能回應信號。如果請求幀或某一步操作出錯，就返回一個錯誤報告。完備的出錯應答是Modbus的一個特點，這有利于通信主節(jié)點判斷通信的錯誤原因，從而將其排除，保證通信可靠進行，提高通信成功率。[3]

　　3. 軟件實現(xiàn)

　　軟件實現(xiàn)時包括：初始化關鍵字，包括波特率設置，數(shù)據(jù)位數(shù)，停止位數(shù)，奇偶校驗模式等，總線上所有的master及slave的以上設置應完全一致。

　　Modbus編程主要需處理好校驗碼的生成及數(shù)據(jù)包開始標志的檢測。[3]

　　3.1 地址定義

　　通信程序必須處理好數(shù)據(jù)報開始的標志，因為每次主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，所有的從機都會接收到信息，但只有地址相同的從機才會響應，因此地址的判別至關重要。在兩個數(shù)據(jù)包之間modbus協(xié)議將提供3.5幀的空閑時間，此時，總線上所有的從機要做好接收準備，一旦主機有數(shù)據(jù)包發(fā)出，從機立刻接受此數(shù)據(jù)。這當中的第1幀即為地址幀。從機記錄該地址并判斷是否執(zhí)行該功能。

　　通常，程序中會設置一個3.5幀計時器，當線路上有數(shù)據(jù)時計時器不計數(shù)，一旦線路空閑則計時器計數(shù)開始，直至該計時器停止計數(shù)，這時線路上開始有數(shù)據(jù)包發(fā)出，這第一幀數(shù)據(jù)即為地址幀。值得注意的是，3.5幀時間并非常數(shù)，應根據(jù)傳輸速率及幀校驗方式(奇偶校驗或無校驗)而定。

　　表2 ASCII模式傳輸格式

　　表3 RTU模式傳輸格式

　　3.2 功能碼定義

　　客戶所請求的服務和服務器所提供的服務均通過功能碼(Function Code)標識。Modbus 功能碼分三種，即公共功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼，

　　公共功能碼是已定義的功能碼，保證其唯一性，包含現(xiàn)存已定義的公共指配功能碼和未來使用的未指配保留功能碼。用戶定義功能碼有兩個定義范圍，即 65 至 72 和十進制 100 至 110。用戶沒有 Modbus 組織的任何批準就可以選擇和實現(xiàn)一個功能碼。保留功能碼是一些公司對傳統(tǒng)產(chǎn)品通常使用的功能碼，并且對公共使用是無效的功能碼。

　　為使用方便，在本套系統(tǒng)中，我們僅編寫Modbus協(xié)議中的三個公共功能碼，包括寫單個寄存器0x06，讀多個寄存器0x13，讀寫多個寄存器0x17。以寫單個寄存器為例，請求信息為

　　響應為

　　函數(shù)流程圖如下：

　　圖2 系統(tǒng)響應流程圖

　　除此之外，我們還可以擴展其他功能，比如利用讀文件記錄0x20，寫文件記錄0x21兩個功能碼來存儲系統(tǒng)的相關信息，如故障記錄，使用過的規(guī)準查詢，各設備使用情況等。

　　3.3 校驗碼的生成

　　根據(jù)傳輸模式的不同，系統(tǒng)需要產(chǎn)生不同的校驗碼(check sum),ASCII模式采用LRC校驗(Longitudinal Redundancy Check)而RTU采用CRC校驗(Cyclical Redundancy Check)，實現(xiàn)這兩種方法的函數(shù)均可以在相關資料中找到。下面是用C語言設計的CRC校驗，其中Unsigned char* data 為指向訊息緩沖區(qū)(buffer)之指針 Unsigned char length 為訊息緩沖區(qū)中位元組數(shù)目，而產(chǎn)生的返回值reg-crc即為回傳之校驗碼。[2]

　　unsigned int crc_chk(unsigned char *data, unsigned char length)

　　{

　　int j;

　　unsigned int reg_crc=0xFFFF;

　　while(length——)

　　{

　　reg_crc︿=*data++;

　　for(j=0;j>1)︿0xA001;

　?。?/p>

　　else

　　{

　　reg_crc=reg_crc>>1;

　　｝

　　｝

　　｝

　　return reg_crc;

　?。?/p>

　　4. 總結

　　通過上述系統(tǒng)，希望能與先進控制設備實現(xiàn)對接，從而提高系統(tǒng)的改進速度，使機床整體性能得到提升。

　　本文作者創(chuàng)新點：將modbus這項廣泛應用的協(xié)議用于電火花加工機床，并在加工中取得了很好的加工效果，提高了整體機床的自動化程度。

　　5.參考文獻

　　(1) 朱小襄.Modbus通信協(xié)議及編程.電子工程師, vol.31. No.7 jul. 2005

　　(2) 臺達VFD-M變頻器使用手冊

　　(3) 基于Modbus/TCP協(xié)議通信節(jié)點的實現(xiàn).機床與液壓,2004.No.12

　　(4) 楊大勇.電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)的研究.電加工與模具,2003年第1期

　　(5) 鮑吉龍，葉平. 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化發(fā)展.微計算機信息,2006年第6-1期，P66-68

　　(6) 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，2000

　　(7) 陳維剛.一種工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線協(xié)議轉換器的研制.儀器儀表學報,第26卷第5期