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(yǔ)言，目前已成為我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種國(guó)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。