Modbus RTU通信協(xié)議在MCF51QE128上的實(shí)現(xiàn)

引言
工業(yè)控制已從單機(jī)控制走向集中監(jiān)控、集散控制，如今已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)集約制造時(shí)代。工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。Modbus就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通信規(guī)約。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備通過(guò)Modbus協(xié)議可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

Modbus通信協(xié)議
1 通信傳送方式
每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)包括：每個(gè)字節(jié)的位、1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、最小的有效位先發(fā)送、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（無(wú)校驗(yàn)則無(wú)）、1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)）、2個(gè)停止位（無(wú)校驗(yàn)時(shí)）。
在RTU模式下每個(gè)字節(jié)的格式（11bit）如下：
編碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制
字節(jié)組成：1bit起始位、8bit數(shù)據(jù)位，最低位最先發(fā)送、1bit奇偶校驗(yàn)位、1bit停止位（或者沒(méi)奇偶校驗(yàn)位，就發(fā)送一個(gè)附加的停止位）。
2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
地址碼：地址碼為通信傳送的第一字節(jié)。這字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。并且每個(gè)從機(jī)都有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。
功能碼：通信傳送的第二字節(jié)。ModBus通信規(guī)約定義功能號(hào)為1～127。根據(jù)實(shí)際需要只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼的最高位為１，則表明從機(jī)沒(méi)有響應(yīng)操作或發(fā)送出錯(cuò)。

表1 每一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀構(gòu)成

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實(shí)際數(shù)值、設(shè)置點(diǎn)、主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址。
CRC碼：二字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。冗余循環(huán)碼檢查（CRC）包含兩字節(jié)，即16位二進(jìn)制。CRC碼由發(fā)送設(shè)備計(jì)算，放置于發(fā)送信息的尾部。接收信息的設(shè)備再重新計(jì)算接收到信息的CRC碼，比較計(jì)算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯(cuò)。CRC碼的計(jì)算方法是，先預(yù)置16位寄存器全為1。再逐步把每8位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。在進(jìn)行CRC碼計(jì)算時(shí)只用8位數(shù)據(jù)位、起始位及停止位，如有奇偶校驗(yàn)位的話也包括奇偶校驗(yàn)位，都不參與CRC碼計(jì)算。
在計(jì)算CRC碼時(shí)，8位數(shù)據(jù)與寄存器的數(shù)據(jù)相異或，得到的結(jié)果向低位移一位，用0填補(bǔ)最高位。再檢查最低位，如果最低位為1，把寄存器的內(nèi)容與預(yù)置數(shù)相異或，如果最低位為0，不進(jìn)行異或運(yùn)算。
這個(gè)過(guò)程一直重復(fù)8次。第8次移位后，下一個(gè)8位再與現(xiàn)在寄存器的內(nèi)容相異或，這個(gè)過(guò)程與以上一樣重復(fù)8次。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)信息處理完后，最后寄存器的內(nèi)容即為CRC碼值。CRC碼中的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時(shí)低字節(jié)在前。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高運(yùn)算速度，采用了查表的方法取代計(jì)算方法。
3 Modbus RTU數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
在RTU模式下，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的間隔至少是3.5個(gè)字符位。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀必須要連續(xù)的傳送，當(dāng)一幀消息中兩字節(jié)間的間距大于1.5字符位時(shí)，此數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤，被接受方放棄。
當(dāng)通信波特率小于等于19 200b/s。對(duì)1.5個(gè)字符位/3.5個(gè)字符位計(jì)算時(shí)間有嚴(yán)格要求。當(dāng)通信波特率大于19 200b/s。1.5個(gè)字符位固定為750μs,3.5個(gè)字符位固定為1.75ms。官方的Modbus RTU規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為3.5個(gè)字符長(zhǎng)周期，不同的串口設(shè)備由于使用環(huán)境不同可能在發(fā)送中出現(xiàn)5～10字長(zhǎng)的間隙。對(duì)于Modbus RTU來(lái)說(shuō)比較安全的設(shè)置為50ms。
4 用到的功能代碼
用到的功能代碼如表2所示。

表2 功能代碼

MCF51QE128的主要特性

系統(tǒng)核心控制器采用的是Freescale公司推出的32位單片機(jī)MCF51QE128。它是一款32位ColdFire V1 MCU，特點(diǎn)包括：停止電流降至370nA，6μs喚醒時(shí)間，超低運(yùn)行電流為50mA；50.33MHz ColdFire V1內(nèi)核運(yùn)行頻率；25.165MHz的總線頻率；最大為8KB的RAM；最高128KB的閃存；24信道的12位ADC；兩個(gè)模擬比較器；2xSCI、2xI2C、2xSPI；一個(gè)6信道和兩個(gè)3信道的定時(shí)器PWM模塊；RTC；最多70路通用輸入/輸出（GPIO）；系統(tǒng)集成頻率鎖定環(huán)（FLL）和軟件看門狗；內(nèi)部時(shí)鐘源（ICS）；低功耗外部32kHz振蕩器；電壓范圍為1.8～  3.6V；增強(qiáng)型內(nèi)部振蕩器、電壓調(diào)節(jié)器和實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器。通用開(kāi)發(fā)環(huán)境是CodeWarrior for Microcontrollers 6.0。

軟件設(shè)計(jì)
1 接收軟件流程
如圖1所示。

圖1 從機(jī)軟件流程
2 配置串口和定時(shí)器
void usart_init()
{ 
 SCI1C1=0x13;//9bit character mode,odd parity
 SCI1C2=0x2c;
 SCI1BDL=0x29;//38400bps
 SCI1BDH=0;
}
void timer3_init(void)//8MHz主時(shí)鐘1333Hz中斷判斷命令包結(jié)束
{
 TPM3CNTH=0;
 TPM3CNTL=0;
 TPM3MODH=0x49;
 TPM3MODL=0xbe;  
 TPM3SC=0x48; 
}
3 MCF51QE128解包modbus RTU的程序
 void interrupt VectorNumber_ Vsci1rx SCI_RX_ISR(void)//字節(jié)接收程序
 {
  if(SCI1S1_PF==1)communication_error=1;//字節(jié)校驗(yàn)錯(cuò)誤置通信失敗標(biāo)志位
  *(pointer_RX1)=SCI1D;//將數(shù)據(jù)放入緩沖隊(duì)列
  pointer_RX1++;//隊(duì)列指針后移
  len_RX1++;//收到字節(jié)長(zhǎng)度加1
  timer3_reset();//定時(shí)器復(fù)位
  timer3_init();//定時(shí)器重啟動(dòng)
 }
 void interrupt VectorNumber_Vtpm3ovf Timer3_ISR(void)//判斷命令包接收結(jié)束
 {
  timer3_cnt++;//定時(shí)器中斷次數(shù)加1
  if(timer3_cnt==2)
   {   
timer3_reset();//定時(shí)器復(fù)位
pointer_RX1=Buffer_RX1;//隊(duì)列指針初始化
  full_RX1=1;//收完置標(biāo)志位
   }
 }
4 CRC查表產(chǎn)生函數(shù)
由于篇幅有限，此處不再詳述，表具體內(nèi)容可參照相關(guān)參考文獻(xiàn)。

總結(jié)
筆者的設(shè)計(jì)基于MCF51QE128控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議，已經(jīng)成功進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，通信可靠，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。該設(shè)計(jì)為采用MCF51QE128微控制器進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)通信的應(yīng)用提供了參考方案。