基于MODBUS總線伺服電機運動控制方案

　　引言

　　現代工業(yè)自動控制系統(tǒng)朝智能化、網絡化和開放式結構的方向發(fā)展。利用現場總線技 術，將符合同一標準的各種智能設備統(tǒng)一起來，徹底實現整個監(jiān)測系統(tǒng)的分散控制，將提高系統(tǒng)集成度和數據傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統(tǒng)抗干 擾性能和擴展系統(tǒng)功能。在運動控制中，伺服電機以其響應速度快，控制精準等優(yōu)點以被更多的客戶所選用。如果把總線通信與伺服控制技術統(tǒng)一起來，將推動運動控制技術以及設備遠程監(jiān)控技術的發(fā)展。MODBUS作為一種通用的現場總線，已經得到很廣泛的應用，很多廠商PLC、智能I/O與A/D模塊具備MODBUS通訊接口。本文在闡述MODBUS通信協(xié)議的基礎上，構建了基于MODBUS的伺服電機運動控制。

　　1 MODBUS總線控系統(tǒng)的技術特征

　　MODBUS通訊協(xié)議是一種工業(yè)現場總線通訊協(xié)議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質，可以承載于多種網絡類型 中。MODBUS協(xié)議把通信參與者規(guī)定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），數據和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準 MODBUS網絡時，信息被直接傳送。MODBUS總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從 站。采用命令/應答的通信方式，主站發(fā)出請求，從站應答請求并送回數據或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。MODBUS協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述 了主站控制器訪問從站設備的過程，規(guī)定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告?zhèn)鬏斿e誤等。網絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要 求的從設備才會響應主設備發(fā)出的命令。

　　由于MODBUS總線系統(tǒng)開發(fā)成本低，簡單易用，并且現在已有很多工控器、PLC、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產的控制設備連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。

　　MODBUS最初為PLC通信而設計，它通過24種總線命令實現PLC與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數據傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。

　　1.1 MODBUS通信格式

　　MODBUS協(xié)議定義了兩種傳輸模式，即RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII。在RTU模式中，1字節(jié)的信息作為一個8位字符被發(fā)送，而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發(fā)送，如發(fā)送字符 “20”時，采用RTU模式時為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的 “2”和“0”）?？梢?，發(fā)送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來說，數據量少而且主要是文本時采用ASCII；通信數據 量大而且是二進制數值時，多采用RTU模式。

　　主站一次可向一個或所有從站發(fā)送通信請求（或指令），主設備通過消息幀的地址域來選通從設備。主站發(fā)送的消息幀的內容和順序為：從站地址、功能碼、 數據域（數據起始地址、數據量、數據內容）、CRC校驗碼；從站應答的信息內容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時還 定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數據內容依據功能碼進行響應，例如功能代碼03要求讀取從站 設備中保持寄存器的內容。

　　MODBUS部分功能碼

　　1.2 CRC校驗的實現

　　MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個字節(jié)用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數據域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節(jié)的 CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續(xù)的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節(jié)比較， 如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯誤應答。

　　RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的 校驗碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實現CRC校驗有兩種方法：根據CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值 表。在程序中使用前者更容易實現，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應的碼組系數為18005H（16進制），去除最高 位，對應的16位余數為8005H，即為CRC-16常數。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀 數據進行異或，結果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，而最低位（LSB，移位后已經被移出CRC寄存器）如 果為1，則把寄存器與CRC-16常數進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數據處理完畢，用此 時寄存器的值與下一個8bit數據異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時，先 加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。