基于Modbus規約的智能儀表與PC機通信技術實現

摘 要：本文主要介紹Modbus RTU規約，及在VB6.0編程環境下通過RS-485串口實現主控臺PC機與智能儀表間基與該規約通信的具體實現方法。
關鍵詞：Modbus RTU；通信協議；RS-485；CRC校驗
一、引言
隨著時代的進步，越來越多的企業開始向生產和管理自動化轉變。各種智能儀表不斷地應用到生產生活的各個領域。在工業控制方面，RS－485總線由于平衡差分傳輸特性具有的干擾性好、傳輸距離遠 、有較大級連能力等特點，非常適合于組成工業級的多機通信系統。ModBus RTU規約是Modicon公司的注冊商標，是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通訊協議之一。在各個工業儀器儀表大量使用的今天，Modbus RTU協議和RS-485總線得到了最為廣泛的應用。本文主要從應用的角度介紹在一個工業控制系統中，實現該技術的具體方案。
二、Modbus RTU 通訊協議簡介
1、Modbus RTU協議簡介
ModBus RTU通訊協議是Modicon公司的注冊商標。采用主從問答方式工作，其規范已在國際互聯網上公布，是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通訊協議之一。目前，國內許多生產商已在他們的產品和系統中遵循該協議標準。該協議有兩種傳輸模式即RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息幀中的8位數據包括兩個4位16進制字符，相對于ASCII模式，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數，且在相同通訊速率下具有更大的數據流量。因此通常情況下，一般工業智能儀器儀表都是采用RTU模式的Modbus規約。
2、Modbus 通信格式
數據格式： 地址碼 功能碼 數據區 錯誤校檢

　
數據長度： 1字節 1字節 N字節 16位CRC碼

當通訊命令由發送設備（上位機）發送至接收設備（下位機）時，符合相應地址碼的下位機就會響應命令，并根據約定的通信協議讀取信息、數據校驗并且執行相應的功能操作。返回的幀結構包含地址碼、功能碼、數據以及CRC校驗碼。
3、上下位機通信幀約定格式
其中的儀表地址在使用的電壓表中是為一個字節定義的，所以最多到256個。下位機與上位機的通信波特率一般可自由設定，但必須保證上下機的通信波特率對應匹配。
三、上位機通信軟件設計方案
上位機的通信軟件采用VB6.0的開發環境。在VB6.0中對串口進行編程可以使用Mscomm控件加快開發進度。該控件主要是為RS－232的通用串口而設計。所以為了利用PC上現有的RS－232接口，通常是使用RS232/485的轉換器。這些轉換器一般通過邏輯門電路控制RXD、TXD和GND三針信號，從而自動對半雙工或全雙工的485串口進行控制。通過轉換器，我們就可以像開發通用的RS－232串口一樣來快速開發基于RS－485串口的上位機通信軟件。
1、初始化程序設計
在初始化程序中，主要是設定好整個幀結構的命令數組、傳輸波特率、以及一些必須的串口初始設定。具體
操作如下面代碼說明
Dim Tcommand(7) As Byte ‘開辟命令幀的幀長度數組
MSComm.CommPort = 1 ‘設定需要使用的串口，當然這里可以用輸入方式靈活設定。暫定為1＃口
MSComm.Settings="2400,n,8,1" ‘設定傳輸的波特率和校驗方式
MSComm.InBufferSize = 1024 ‘開辟數據緩沖區
MSComm.InputMode =comInputModeBinary ‘設定為二進制的數據流方式
MSComm.InputLen = 0 ‘一次全部讀入所需要的數據
……

上面的代碼一般都是串口初始化必須進行設定的幾個部分。根據個人需要可以在VB6.0中做一個初始化界面，對各個參數（如波特率、使用串口等）進行自由設定和更改，以提高初始化設定的靈活性和通用性。
2、命令字發送
命令字發送應該嚴格按照Modbus規約所設計的幀格式和上下位機在該規約基礎上所定義的通信協議。參考表1的通信協議順序，編寫如下的VB代碼來實現命令的發送。
Tcommand (0) = address ‘ address為設定的接受地址輸入的變量
Tcommand (1) = Val("&h" + "03")
……（其他的通信協議，并計算CRC校驗代碼）
Tcommand (6) = CRC(1)
Tcommand (7) = CRC(0)
frmcontrol.MSComm.Output = Tcommand
……

3、上位機接收和數據處理
根據表2的回送通信協議，上位機解析所接受的數據，并進行必要的處理。一般而言從下位機發送上來的數據都是有一定的幀長度。特別是對于一些固化好的智能儀表。所以最好的方法是按照通信回送的幀長度，在上位機程序中分別開辟兩個同樣長度的數組。一個作為接受數組，用來一次性接收串口緩沖區中的數據；另一個為安全數組，用來復制接收數組中的數據并進行解析。這樣可以提高整個系統的容錯能力。
LoopUntil frmcontrol.MSComm.InBufferCount = 9
InByte = frmcontrol.MSComm.Input
For i = 0 To (count - 1)
InSafeArray(i) = InByte(i)
Next i

其代碼中的inbyte（）就是接收數組，而InSafeArray()就是我們再開辟的安全數組。
4、CRC校驗的實現方法
按照Modbus規約的校驗方式，RTU模式的校驗方式為CRC校驗方式；而ASCII模式為LRC校驗。一般的智能儀表多采用RTU的CRC校驗方式。根據生成多項式的不同，CRC校驗通常有以下幾種：CRC－12 （傳6bit）；CRC－16（美國標準，傳8bit）；CRC－CCITT（歐洲標準，傳8bit）；CRC－32（point-to－point同步傳輸中使用） 。目前儀表類比較普遍的是CRC－16的校驗碼。其生成多項式為X16+X15+X2+1。在算法實現上，我們可以先預置一個16位的寄存器FFFF（全1），然后把8位的2進制數據（一個字節）與16位的CRC寄存器低8位異或，并把結果放回CRC寄存器同時寄存器內容右移，MSB補0，并檢查移出的LSB。如果LSB為0則繼續右移動，為1則CRC寄存器與多項式異或。重復上面操作到一個8bit字節完成，再繼續對下一個數據進行相同處理，直到所有數據結束。這個時候CRC寄存器中的數據就是我們所要的CRC碼了。實現代碼如下：
CRC16Lo = &HFF ‘CRC16Lo為CRC寄存器低8位
CRC16Hi = &HFF ‘CRC16Hi為CRC寄存器高8位
CL = &H1
CH = &HA0 ‘A001 H 是CRC－16多項式代碼
For i = 0 To UBound(Data)
CRC16Lo = CRC16Lo Xor Data(i) ‘每一個數據與CRC寄存器異或
For index = 0 To 7
UseHi = CRC16Hi
UseLo = CRC16Lo
CRC16Hi = CRC16Hi \ 2
CRC16Lo = CRC16Lo \ 2 ‘右移一位
If ((UseHi And &H1) = &H1) Then ‘如果高位字節最后一位是1的話
CRC16Lo = CRC16Lo Or &H80 ‘低位字節右移后前面補1
End If
If ((UseLo And &H1) = &H1) Then ‘'如果LSB 為1，則與多項式進行異或
CRC16Hi = CRC16Hi Xor CH
CRC16Lo = CRC16Lo Xor CL
End If
Next index
Next i

四、下位機工作系統設計簡介
下位機一般是使用固化好通信協議及工作指令的單片機。因為測控系統多采用的是單發多收的通信機制，所以在下位機要允許用戶預先設定本機的地址碼，并且保證不能重復。此外，要注意通信波特率必須與上位機的波特率相匹配。在下位機軟件開發中，要遵循Modbus規約的通信幀結構對上位機傳輸的命令進行解析：非呼叫對象應能及時重新恢復等待接受狀態；響應呼叫的下位機要解析命令代碼并進行相應的功能處理，對非法的命令操作要能回送報錯信息。
在具體的工程開發中，下位機多是采用各個廠家出品的基與Modbus規約的智能儀表。這樣雖然簡化了我們開發的工作量，但是下位機的合理安排與設計能降低系統誤碼率、提高可靠性。因此是每個工業系統設計人員所不應該忽略的重要部分。在工業控制中，因為各種干擾源的存在且一般下位機數量較大，要對RS－485芯片選型有很認真的考慮。條件許可的話盡量選用抗電擊和有較大級連驅動能力的芯片。理論上485芯片的級連能力至少32門，目前很多芯片廠家都能使工業級的級連數達到128以上。在實際應用中應該讓系統具有一定的富余度，一般級連數不能超過該器件滿載的70％。在選配RS232到RS485轉換頭的時候也應該盡量選用有源的轉換器，以提高驅動能力和穩定性。此外，工業現場的降噪、隔離、布線、屏蔽等等措施的合理與否也會對最后系統的穩定產生影響。
五、結束語
作者在實際的測控系統項目開發中，通過VB6.0結合SQL數據庫編程，開發了基于該通信協議的上位機的測控管理軟件，并利用RS－485總線實現了對基于該規約的各種下位機的監控和數據處理。在生產活動自動化，通信協議規范化，信息交流國際化的今天，充分利用現有的成熟而規范的通信協議能最大限度地節約開發成本，降低開發風險，提高系統的兼容性和可移植性。Modbus RTU規約作為智能儀器儀表領域大量使用的國際化通信協議，必將得到更加普遍的推廣和應用。