基于Cortex-M3的MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術(shù)，其具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，是鋼軌探傷技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實(shí)驗(yàn)仿真問題，研制了基于嵌入式系統(tǒng)的無損探傷試驗(yàn)儀，通過實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議與變頻器通信，以此驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)與機(jī)械試驗(yàn)裝置，完成運(yùn)動(dòng)控制并進(jìn)行無損探傷試驗(yàn)。

針對(duì)無損探傷試驗(yàn)儀中變頻器通信問題，依據(jù)MODBUS協(xié)議規(guī)定，利用RealView MDK開發(fā)了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件，實(shí)現(xiàn)了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調(diào)速的運(yùn)動(dòng)控制功能。

1 MODBUS協(xié)議

1．1 MODBOS協(xié)議簡(jiǎn)介

MODBUS是Gould Ine注冊(cè)的通訊協(xié)議商標(biāo)，該協(xié)議具有糾錯(cuò)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種國家標(biāo)準(zhǔn)。

MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)控制器能識(shí)別的消息結(jié)構(gòu)，它描述了控制器請(qǐng)求訪問和應(yīng)答回應(yīng)其他設(shè)備的過程，以及錯(cuò)誤檢測(cè)和記錄的規(guī)范，制定了報(bào)文字段和內(nèi)容的公共格式。MODBUS屬于應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，其通信結(jié)構(gòu)為一對(duì)多的主從查詢模式，即主從Master-Slave模式。 MODBUS網(wǎng)絡(luò)上可以有多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，但有且只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)按照通信協(xié)議對(duì)從節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求操作，從設(shè)備收到主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求后，做出相應(yīng)的響應(yīng)再向主節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答消息。

1．2 MODBOS協(xié)議組成

MODBUS協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數(shù)據(jù)以ASCH字符碼表示，通過冒號(hào)、回車字符判定數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束，采用IRC數(shù)據(jù)檢驗(yàn)；RTU模式中數(shù)據(jù)以非壓縮BCD碼表示，通過時(shí)間標(biāo)記實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀起始判定，采用CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)，具有數(shù)據(jù)吞吐量高、傳輸穩(wěn)定、通信效率高的優(yōu)點(diǎn)。

由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高、時(shí)間管理嚴(yán)格的RTU傳輸模式。在協(xié)議幀組成上，MODBUS定義了一個(gè)基本的，與通信層無關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU(Protocol Data Unit)，并通過在PDU上添加地址、校驗(yàn)等附加域定義了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數(shù)據(jù)幀，MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成如表1所示。

在數(shù)據(jù)幀起始判定上，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時(shí)間標(biāo)記方法，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發(fā)送3．5個(gè)字符的時(shí)間，該時(shí)間稱為T3.5。

在MODBUS數(shù)據(jù)幀中，功能碼是指主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求操作類型，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。

MODBUS RTU采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項(xiàng)式編碼，編碼簡(jiǎn)單且誤判概率很低，在串行通信、以太網(wǎng)、MPEG解碼等通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在通信過程中，發(fā)送方用待發(fā)送數(shù)據(jù)除以一個(gè)收發(fā)雙方約定的生成多項(xiàng)式，將得到余數(shù)作為CRC校驗(yàn)多項(xiàng)式，附加在待發(fā)送數(shù)據(jù)尾部作為一個(gè)整體發(fā)送給接收方。接收方將收到的數(shù)據(jù)同樣除以生成多項(xiàng)式，若余數(shù)為零剛傳輸正常，若余數(shù)不為零則傳輸出錯(cuò)。

2 電路連接及硬件參數(shù)

在無損探傷試驗(yàn)儀中，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心，而變頻器采用了煙臺(tái)惠豐公司的F2000-G矢量變頻酪。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000-G相連，按照MODBUS協(xié)議與之通信，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的控制功能。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx連接到MAX3485的RO、DI以進(jìn)行RS232的數(shù)據(jù)收發(fā)；STM32F103ZET6的GPI01以I ／O模式與MAX3485的接收使能端RE、發(fā)送使能端DE相連，對(duì)RS485半雙工總線的通信方向進(jìn)行統(tǒng)一控制；而MAX3485的差分信號(hào)端A、B則通過插座與F2000-G相連，同時(shí)為保證通信質(zhì)量，消除總線上的信號(hào)反射，需在RS485網(wǎng)絡(luò)終端的差分總線間串聯(lián)50 Ω的電阻R1。

在外設(shè)初始過程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信參數(shù)為：波特率9 600 kb·s-1，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無奇偶校驗(yàn)；其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用時(shí)間標(biāo)記的方式進(jìn)行協(xié)議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時(shí)器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應(yīng)用通常取4個(gè)字符發(fā)送時(shí)間，因此設(shè)置TIM2的溢出時(shí)間為3 ms；最后，為處理可能的總線延遲等通信故障，本文使用了系統(tǒng)定時(shí)器SysTick作超時(shí)判定，綜合考慮到變頻器動(dòng)作時(shí)間、通信延遲等因素，超時(shí)判定的時(shí)間閾值取200 ms。

3 MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，STM32F103ZET6作為主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，完成對(duì)交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數(shù)據(jù)幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。

3．1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須將請(qǐng)求操作封裝成標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議幀才能成功進(jìn)行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機(jī)的地址，再將CR-C16校驗(yàn)值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU。

MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗(yàn)，按照循環(huán)冗余檢驗(yàn)算法，使用標(biāo)準(zhǔn)16位生成多項(xiàng)式，可對(duì)任意長(zhǎng)度的信息字段校驗(yàn)出一個(gè)16位的校驗(yàn)碼。其程序流程可描述如下：

(1)初始化一個(gè)16位寄存器，所有位進(jìn)行置1。
(2)該16位寄存器與待校驗(yàn)數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，結(jié)果存回該寄存器。
(3)該16位寄存器右移一位。
(4)若該寄存器右移移出位為1，則與校驗(yàn)多項(xiàng)式0A001H異或，否則重復(fù)步驟3。
(5)重復(fù)步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢。
(6)取數(shù)據(jù)串中下一個(gè)數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或結(jié)果存回寄存器。
(7)重復(fù)步驟3～步驟6，直到待校驗(yàn)數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢。
(8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗(yàn)結(jié)果，加至數(shù)據(jù)幀末端。

因?yàn)镾TM32F103ZET6芯片內(nèi)USART3無硬件FIFO的特點(diǎn)，所以需要軟件上使用隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進(jìn)行串行口的收發(fā)任務(wù)。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊(duì)列的出隊(duì)操作；而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應(yīng)函數(shù)中，軟件按時(shí)間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi)，即隊(duì)列的入隊(duì)操作。

3．2 數(shù)據(jù)幀接收

在發(fā)送完請(qǐng)求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應(yīng)答幀的接收。

由于MODBUS RTU應(yīng)答幀判定采取了時(shí)間標(biāo)記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間管理。在接收過程中，USART3每次接收中斷對(duì)TM2進(jìn)行復(fù)位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當(dāng)總線空閑了3．5個(gè)字符的發(fā)送時(shí)間后，TM2由于缺少USART3的復(fù)位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應(yīng)中完成關(guān)閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應(yīng)答幀接收完成標(biāo)志位的操作。這種時(shí)間標(biāo)記的程序均在后臺(tái)中斷中完成，主程序只需查詢接收完成標(biāo)志位即可。
另一方面，由于從節(jié)點(diǎn)F2000-G可能存在著超時(shí)、無應(yīng)答等通信故障，這就需要主節(jié)點(diǎn)STM32F103ZET6進(jìn)行超時(shí)檢測(cè)。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統(tǒng)定時(shí)器，在芯片啟動(dòng)后就以后臺(tái)方式運(yùn)行，按ms計(jì)時(shí)并實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)時(shí)間。因此在MODBUS RTU的超時(shí)判斷中，主程序可以利用該時(shí)鐘，循環(huán)地查詢當(dāng)前時(shí)刻，并和發(fā)送完請(qǐng)求幀的起始時(shí)刻比較，若閾值時(shí)間200 ms內(nèi)仍然未收到請(qǐng)求幀，則認(rèn)為通信失敗，返回應(yīng)答超時(shí)碼。

3．3 數(shù)據(jù)幀處理

在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎(chǔ)上，STM32F0103ZET6必須進(jìn)行應(yīng)答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應(yīng)答幀。首先提取ADU進(jìn)行地址碼和CRC校驗(yàn)碼的判定；其次，再從PDU中提取ADU進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定；最后，如果校驗(yàn)失敗則返回相應(yīng)的校驗(yàn)失敗碼，若校驗(yàn)成功，則繼續(xù)從ADU／PDU中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成變頻調(diào)速的各種功能操作。最終，整個(gè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。


4 嵌入式變頻調(diào)速系統(tǒng)

利用MODBUS協(xié)議，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，例如目標(biāo)頻率設(shè)置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數(shù)功能如表3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，根據(jù)用戶輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的變頻調(diào)速操作。例如，欲啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無損探傷試驗(yàn)時(shí)，程序?qū)2000-G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H，啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。通信記錄如下，主節(jié)點(diǎn)STM32F103ZET6啟動(dòng)變頻器發(fā)送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果從節(jié)點(diǎn)F2000-G操作正常則應(yīng)答：01 06 20 00 00 01 43 CA。

當(dāng)STM32F103ZET6正確讀取完應(yīng)答幀，并通過校驗(yàn)后，即可判斷變頻器已成功啟動(dòng)交流電機(jī)，機(jī)械試驗(yàn)系統(tǒng)開始運(yùn)行并逐步加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網(wǎng)絡(luò)。軟件部分介紹了MODBUS協(xié)議的特點(diǎn)及其組成，分析了MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的工作特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議的編程?；贛ODBUS協(xié)議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)電試驗(yàn)裝置的變頻調(diào)速控制。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能可靠、通信穩(wěn)定，滿足了無損探傷試驗(yàn)儀在轉(zhuǎn)速為40～1 400 r·min-1范圍內(nèi)變頻調(diào)速的控制需求。