基于RS485接口Modbus協(xié)議的PLC與多機(jī)通訊

　　1 引言

　　在自動(dòng)控制領(lǐng)域，PLC 和單片機(jī)都受到廣泛應(yīng)用。PLC 具有穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)， 功能強(qiáng)大且使用方便等特點(diǎn)[1]，單片機(jī)具有成本低廉，使用靈活，功能多樣等特點(diǎn)。PLC 與 單片機(jī)結(jié)合，互相聯(lián)系，互相通訊，將擴(kuò)展控制功能，更好的控制復(fù)雜的系統(tǒng)。

　　在研究混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]時(shí)， 采用PLC 作為主控制器，控制電機(jī)變頻器和發(fā) 動(dòng)機(jī)節(jié)氣門控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的 綜合控制。因?yàn)镻LC 和變頻器均是艾默生公司 的產(chǎn)品，均支持RS485 接口和MODBUS 協(xié)議， 所以控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用RS485 接口和MODBUS 協(xié)議。而發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門控制器采用89C51 單片 機(jī)，所以要通過建立PLC 與單片機(jī)的通訊，實(shí) 現(xiàn)控制。

　　圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

　　單片機(jī)支持 TTL 電平，可以采用MAX485 芯片來實(shí)現(xiàn)RS485 與TTL 之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換 （如圖2）。MAX485 芯片采用單一電源+5 V 工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接 收器。RO 和DI 端分別為接收 器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端， 分別與單片機(jī)的RXD 和TXD 相連；RE 和DE 端分別為接收 和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE 為邏 輯0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)； 當(dāng)DE 為邏輯1 時(shí)，器件處于 發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485 工作 在半雙工狀態(tài)，所以只需用單 片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè) 引腳即可；PLC 里RS485 總線的A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A 引腳的 電平高于B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A 的電平低于B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在A 和B 端之間加匹配電阻，一般可選100Ω 左右的電阻。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)采用單主機(jī)/多從機(jī)的組網(wǎng)方式，PLC 為主機(jī)，電機(jī)變頻器和單片機(jī)為從機(jī)。 艾默生公司的PLC 和電機(jī)變頻器之間已經(jīng)建立了采用RS485 總線，MODBUS 協(xié)議的通訊 [3][4]，為了實(shí)現(xiàn)PLC 與單片機(jī)的通訊，須先了解PLC 與電機(jī)變頻器的通訊特點(diǎn)，然后建立 連接通訊。

　　3.1 PLC 與電機(jī)變頻器的通訊特點(diǎn)

　　采用RTU 方式的Modbus 協(xié)議，幀格式如圖3 所示。 波特率為9600bps，數(shù)據(jù)格式為1-8-N-2，字符間間隔少于 1.5 個(gè)字符時(shí)間（1.72ms），RTU 幀的最大幀長度是256 個(gè) 字節(jié)。幀之間的空閑時(shí)間取命令碼設(shè)定和Modbus 內(nèi)部約 定值中的較大值。Modbus 內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下： 幀頭和幀尾通過總線空閑時(shí)間不小于3.5 個(gè)字符時(shí)間 （4ms）來界定幀。幀之間的總線空閑不需要累加起始和 結(jié)束空閑。數(shù)據(jù)采用CRC16 校驗(yàn)，整個(gè)信息參與校驗(yàn)， 校驗(yàn)和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。

　　圖3 RTU 方式

　　RS485 是異步半雙工的通訊總線。主機(jī)處于主導(dǎo)和支 配地位，定時(shí)發(fā)出監(jiān)控命令，等待從機(jī)的應(yīng)答。從機(jī)處于 偵聽狀態(tài)，不能主動(dòng)往總線發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到主機(jī)發(fā)送 的一幀信息后，首先判斷地址碼是否本機(jī)地址，如果此幀 信息的地址碼和本機(jī)地址相同，則繼續(xù)處理命令碼和數(shù) 據(jù)，如果此幀信息的地址碼和本機(jī)地址不同，則忽略。接收完一個(gè)主機(jī)監(jiān)控命令后，先進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確則執(zhí)行接收的監(jiān)控命令，并根據(jù)命令 回送相應(yīng)的應(yīng)答幀。任何時(shí)刻只能有一個(gè)從機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，但主機(jī)發(fā)送時(shí)所有從機(jī)都必須 處于接收狀態(tài)。