陳　凱

摘要:本文提出了一套基于Modbus協(xié)議的總線控制系統(tǒng),分析了Modbus協(xié)議的特點(diǎn),介紹了Modbus協(xié)議的內(nèi)容及通信過程,給出了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。文中試圖將現(xiàn)場(chǎng)總線理論應(yīng)用于電火花加工機(jī)床,并最終通過使用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的互聯(lián)。

關(guān)鍵詞:Modbus 現(xiàn)場(chǎng)總線 電火花 RTU

中圖分類號(hào):G201文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)03-0074-01

國(guó)內(nèi)的大多數(shù)電火花設(shè)備由于實(shí)時(shí)性等方面的要求,控制系統(tǒng)均是基于dos環(huán)境設(shè)計(jì),這種系統(tǒng)能滿足電加工的基本要求,但也大大影響了人機(jī)交互的改進(jìn)以及遠(yuǎn)程通信等現(xiàn)代控制的要求。模塊化結(jié)構(gòu)可裁減性強(qiáng),便于滿足不同用戶的需求,是系統(tǒng)深入發(fā)展的良好基礎(chǔ)。專業(yè)化的信號(hào)采集設(shè)備及檢測(cè)裝置成為系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的保障。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可做到信息處理綜合化、智能化。與此同時(shí),VB、VC以及各種組態(tài)軟件的發(fā)展為人機(jī)界面及總線控制的發(fā)展的提供了良好的開發(fā)環(huán)境,使我們能夠設(shè)計(jì)出更為合理及人性化的系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)一般采用上位計(jì)算機(jī)結(jié)合下位智能儀表來實(shí)現(xiàn)控制功能。在本系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)的檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單易用,因此采用微控制器來讀取信號(hào)并最終傳輸給上位機(jī)。一般來說,總線系統(tǒng)主要包括變送器,總線和檢測(cè)站。在本套系統(tǒng)中,微控制器和檢測(cè)裝置成為智能儀表即變送器,它作為從機(jī)使用,但確是系統(tǒng)的核心部件,而上位機(jī)即檢測(cè)站主要完成人機(jī)交互的任務(wù)以及一些優(yōu)化、復(fù)雜計(jì)算和控制的功能。個(gè)性化的人機(jī)界面以及標(biāo)準(zhǔn)化的總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可方便的擴(kuò)展系統(tǒng)的控制功能。

整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,系統(tǒng)最主要包括一個(gè)服務(wù)器,一臺(tái)pc機(jī),三個(gè)微控制器及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備。

2 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是OSI模型第七層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議,它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信?；ヂ?lián)網(wǎng)組中已經(jīng)保留TCP/IP系統(tǒng)端口502用以訪問Modbus,Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種流行的工業(yè)控制傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

2.1協(xié)議內(nèi)容

Modbus協(xié)議定義了消息與格式和內(nèi)容的公共格式,主要采用命令/應(yīng)答方式,每一種命令報(bào)文都對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答報(bào)文,命令報(bào)文由主站發(fā)出,當(dāng)從站收到后,就發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)。Modbus的信息幀包括站點(diǎn)、字節(jié)長(zhǎng)度、功能碼、操作地址、操作數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)值等。

2.2通信過程

Modbus主從節(jié)點(diǎn)之間通信過程大致為:

從節(jié)點(diǎn)通過特定的端口與主節(jié)點(diǎn)建立連接,等待接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求幀信號(hào)。

主節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際需要達(dá)到的目的選擇合適的功能,將其對(duì)應(yīng)的功能代碼保存在ADU的功能代碼域,把必要的參數(shù)和子功能代碼保存在數(shù)據(jù)域中,并將傳輸標(biāo)志、協(xié)議標(biāo)志、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等存放在標(biāo)志域中,從而組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到從節(jié)點(diǎn)。

從節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的請(qǐng)求幀經(jīng)過錯(cuò)誤檢測(cè)后,根據(jù)協(xié)議的規(guī)定將其分解成基本功能單元,并按照功能代碼的要求完成特定的操作,最后還要返回一個(gè)功能回應(yīng)信號(hào)。如果請(qǐng)求幀或某一步操作出錯(cuò),就返回一個(gè)錯(cuò)誤報(bào)告。完備的出錯(cuò)應(yīng)答是Modbus的一個(gè)特點(diǎn),這有利于通信主節(jié)點(diǎn)判斷通信的錯(cuò)誤原因,從保證通信可靠進(jìn)行,提高通信成功率。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)包括:初始化關(guān)鍵字,包括波特率設(shè)置,數(shù)據(jù)位數(shù),停止位數(shù),奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ降?總線上所有的master及slave的以上設(shè)置應(yīng)完全一致,Modbus編程主要需處理好校驗(yàn)碼的生成及數(shù)據(jù)包開始標(biāo)志的檢測(cè)。

3.1地址定義

通信程序必須處理好數(shù)據(jù)報(bào)開始的標(biāo)志,因?yàn)槊看沃鳈C(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),所有的從機(jī)都會(huì)接收到信息,但只有地址相同的從機(jī)才會(huì)響應(yīng),因此地址的判別至關(guān)重要。在兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間Modbus協(xié)議將提供3.5幀的空閑時(shí)間,此時(shí),總線上所有的從機(jī)要做好接收準(zhǔn)備,一旦主機(jī)有數(shù)據(jù)包發(fā)出,從機(jī)立刻接受此數(shù)據(jù)。這當(dāng)中的第1幀即為地址幀。從機(jī)記錄該地址并判斷是否執(zhí)行該功能。通常,程序中會(huì)設(shè)置一個(gè)3.5幀計(jì)時(shí)器,當(dāng)線路上有數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)時(shí)器不計(jì)數(shù),一旦線路空閑則計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)開始,直至該計(jì)時(shí)器停止計(jì)數(shù),這時(shí)線路上開始有數(shù)據(jù)包發(fā)出,這第一幀數(shù)據(jù)即為地址幀。值得注意的是,3.5幀時(shí)間并非常數(shù),應(yīng)根據(jù)傳輸速率及幀校驗(yàn)方式而定。

3.2功能碼定義

客戶所請(qǐng)求的服務(wù)和服務(wù)器所提供的服務(wù)均通過功能碼(Function Code)標(biāo)識(shí)。Modbus 功能碼分三種,即公共功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼,公共功能碼是已定義的功能碼,保證其唯一性,包含現(xiàn)存已定義的公共指配功能碼和未來使用的未指配保留功能碼。用戶定義功能碼有兩個(gè)定義范圍,即65至72和十進(jìn)制100至110,用戶沒有Modbus組織的任何批準(zhǔn)就可以選擇和實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能碼。保留功能碼是一些公司對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品通常使用的功能碼,并且對(duì)公共使用是無效的功能碼。

3.3校驗(yàn)碼的生成

根據(jù)傳輸模式的不同,系統(tǒng)需要產(chǎn)生不同的校驗(yàn)碼(check sum),ASCII模式采用LRC校驗(yàn)(Longitudinal Redundancy Check)而RTU采用CRC校驗(yàn)(Cyclical Redundancy Check),實(shí)現(xiàn)這兩種方法的函數(shù)均可以在相關(guān)資料中找到。

4總結(jié)

通過上述系統(tǒng),希望能與先進(jìn)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)接,從而提高系統(tǒng)的改進(jìn)速度,使機(jī)床整體性能得到提升。Modbus這項(xiàng)協(xié)議在電火花加工機(jī)床的廣泛應(yīng)用,并在加工中取得了很好的效果,提高了整體機(jī)床的自動(dòng)化程度。

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