基于Modbus规约的智能仪表与PC机通信技术实现

基于Modbus规约的智能仪表与PC机通信技术实现摘要：本文主要介绍ModbusRTU规约，及在VB6.0编程环境下通过RS-485串口实现主控台PC机与智能仪表间基与该规约通信的具体实现方法。关键词：ModbusRTU；通信协议；RS-485；CRC校验1引言随着时代的进步，越来越多的企业开始向生产和管理自动化转变。各种智能仪表不断地应用到生产生活的各个领域。在工业控制方面，RS－485总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传输距离远、有较大级连能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。ModbusRTU规约是Modicon公司的注册商标，是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一。在各个工业仪器仪表大量使用的今天，ModbusRTU协议和RS-485总线得到了最为广泛的应用。本文主要从应用的角度介绍在一个工业控制系统中，实现该技术的具体方案。2ModbusRTU通讯协议简介（1）ModbusRTU协议简介ModbusRTU通讯协议是Modicon公司的注册商标。采用主从问答方式工作，其规范已在国际互联网上公布，是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一。目前，国内许多生产商已在他们的产品和系统中遵循该协议标准。该协议有两种传输模式即RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息帧中的8位数据包括两个4位16进制字符，相对于ASCII模式，RTU模式表达相同的信息需要较少的位数，且在相同通讯速率下具有更大的数据流量。因此通常情况下，一般工业智能仪器仪表都是采用RTU模式的Modbus规约。（2）Modbus通信格式当通讯命令由发送设备（上位机）发送至接收设备（下位机）时，符合相应地址码的下位机就会响应命令，并根据约定的通信协议读取信息、数据校验并且执行相应的功能操作。返回的帧结构包含地址码、功能码、数据以及CRC校验码。（3）上下位机通信帧约定格式其中的仪表地址在使用的电压表中是为一个字节定义的，所以最多到256个。下位机与上位机的通信波特率一般可自由设定，但必须保证上下机的通信波特率对应匹配。3上位机通信软件设计方案上位机的通信软件采用VB6.0的开发环境。在VB6.0中对串口进行编程可以使用Mscomm控件加快开发进度。该控件主要是为RS－232的通用串口而设计。所以为了利用PC上现有的RS－232接口，通常是使用RS232/485的转换器。这些转换器一般通过逻辑门电路控制RXD、TXD和GND三针信号，从而自动对半双工或全双工的485串口进行控制。通过转换器，我们就可以像开发通用的RS－232串口一样来快速开发基于RS－485串口的上位机通信软件。（1）初始化程序设计在初始化程序中，主要是设定好整个帧结构的命令数组、传输波特率、以及一些必须的串口初始设定。具体的操作如下面代码说明DimTcommand(7)AsByte‘开辟命令帧的帧长度数组MSComm.CommPort=1‘设定需要使用的串口，当然这里可以用输入方式灵活设定。暂定为1＃口MSComm.Settings=2400,n,8,1‘设定传输的波特率和校验方式MSComm.InBufferSize=1024‘开辟数据缓冲区MSComm.InputMode=comInputModeBinary‘设定为二进制的数据流方式MSComm.InputLen=0‘一次全部读入所需要的数据……上面的代码一般都是串口初始化必须进行设定的几个部分。根据个人需要可以在VB6.0中做一个初始化界面，对各个参数（如波特率、使用串口等）进行自由设定和更改，以提高初始化设定的灵活性和通用性。（2）命令字发送命令字发送应该严格按照Modbus规约所设计的帧格式和上下位机在该规约基础上所定义的通信协议。参考表1的通信协议顺序，编写如下的VB代码来实现命令的发送。Tcommand(0)=address‘address为设定的接受地址输入的变量Tcommand(1)=Val(&h+03)……（其他的通信协议，并计算CRC校验代码）Tcommand(6)=CRC(1)Tcommand(7)=CRC(0)frmcontrol.MSComm.Output=Tcommand……（3）上位机接收和数据处理根据表2的回送通信协议，上位机解析所接受的数据，并进行必要的处理。一般而言从下位机发送上来的数据都是有一定的帧长度。特别是对于一些固化好的智能仪表。所以最好的方法是按照通信回送的帧长度，在上位机程序中分别开辟两个同样长度的数组。一个作为接受数组，用来一次性接收串口缓冲区中的数据；另一个为安全数组，用来复制接收数组中的数据并进行解析。这样可以提高整个系统的容错能力。LoopUntilfrmcontrol.MSComm.InBufferCount=9InByte=frmcontrol.MSComm.InputFori=0To(count-1)InSafeArray(i)=InByte(i)Nexti其代码中的inbyte（）就是接收数组，而InSafeArray()就是我们再开辟的安全数组。（4）CRC校验的实现方法按照Modbus规约的校验方式，RTU模式的校验方式为CRC校验方式；而ASCII模式为LRC校验。一般的智能仪表多采用RTU的CRC校验方式。根据生成多项式的不同，CRC校验通常有以下几种：CRC－12（传6bit）；CRC－16（美国标准，传8bit）；CRC－CCITT（欧洲标准，传8bit）；CRC－32（point-to－point同步传输中使用）。目前仪表类比较普遍的是CRC－16的校验码。其生成多项式为X16+X15+X2+1。在算法实现上，我们可以先预置一个16位的寄存器FFFF（全1），然后把8位的2进制数据（一个字节）与16位的CRC寄存器低8位异或，并把结果放回CRC寄存器同时寄存器内容右移，MSB补0，并检查移出的LSB。如果LSB为0则继续右移动，为1则CRC寄存器与多项式异或。重复上面操作到一个8bit字节完成，再继续对下一个数据进行相同处理，直到所有数据结束。这个时候CRC寄存器中的数据就是我们所要的CRC码了。实现代码如下：CRC16Lo=&HFF‘CRC16Lo为CRC寄存器低8位CRC16Hi=&HFF‘CRC16Hi为CRC寄存器高8位CL=&H1CH=&HA0‘A001H是CRC－16多项式代码Fori=0ToUBound(Data)CRC16Lo=CRC16LoXorData(i)‘每一个数据与CRC寄存器异或Forindex=0To7UseHi=CRC16HiUseLo=CRC16LoCRC16Hi=CRC16Hi2CRC16Lo=CRC16Lo2‘右移一位If((UseHiAnd&H1)=&H1)Then‘如果高位字节最后一位是1的话CRC16Lo=CRC16LoOr&H80‘低位字节右移后前面补1EndIfIf((UseLoAnd&H1)=&H1)Then‘如果LSB为1，则与多项式进行异或CRC16Hi=CRC16HiXorCHCRC16Lo=CRC16LoXorCLEndIfNextindexNexti4下位机工作系统设计简介下位机一般是使用固化好通信协议及工作指令的单片机。因为测控系统多采用的是单发多收的通信机制，所以在下位机要允许用户预先设定本机的地址码，并且保证不能重复。此外，要注意通信波特率必须与上位机的波特率相匹配。在下位机软件开发中，要遵循Modbus规约的通信帧结构对上位机传输的命令进行解析：非呼叫对象应能及时重新恢复等待接受状态；响应呼叫的下位机要解析命令代码并进行相应的功能处理，对非法的命令操作要能回送报错信息。在具体的工程开发中，下位机多是采用各个厂家出品的基与Modbus规约的智能仪表。这样虽然简化了我们开发的工作量，但是下位机的合理安排与设计能降低系统误码率、提高可靠性。因此是每个工业系统设计人员所不应该忽略的重要部分。在工业控制中，因为各种干扰源的存在且一般下位机数量较大，要对RS－485芯片选型有很认真的考虑。条件许可的话尽量选用抗电击和有较大级连驱动能力的芯片。理论上485芯片的级连能力至少32门，目前很多芯片厂家都能使工业级的级连数达到128以上。在实际应用中应该让系统具有一定的富余度，一般级连数不能超过该器件满载的70％。在选配RS232到RS485转换头的时候也应该尽量选用有源的转换器，以提高驱动能力和稳定性。此外，工业现场的降噪、隔离、布线、屏蔽等等措施的合理与否也会对最后系统的稳定产生影响。5结束语作者在实际的测控系统项目开发中，通过VB6.0结合SQL数据库编程，开发了基于该通信协议的上位机的测控管理软件，并利用RS－485总线实现了对基于该规约的各种下位机的监控和数据处理。在生产活动自动化，通信协议规范化，信息交流国际化的今天，充分利用现有的成熟而规范的通信协议能最大限度地节约开发成本，降低开发风险，提高系统的兼容性和可移植性。ModbusRTU规约作为智能仪器仪表领域大量使用的国际化通信协议，必将得到更加普遍的推广和应用。