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基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及應用
來源:電子科技
吳寅華 趙敏
南京航空航天大學
摘要: 針對變頻器通信應用,介紹了MODBUS協議的特點及其組成;設計了RS485電路接口;并以ARMCortex-M3微控制器為核心,設計了MODBUS協議的實現方案。針對變頻器F2000-G開發了嵌入式系統.實現變頻調速功能,應用于無損檢測試驗儀。
Abstract:
Key words :
 

摘要:針對變頻器通信應用,介紹了MODBUS協議的特點及其組成;設計了RS485電路接口;并以ARMCortex-M3微控制器為核心,設計了MODBUS協議的實現方案。針對變頻器F2000-G開發了嵌入式系統.實現變頻調速功能,應用于無損檢測試驗儀。

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術,其具有檢測速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實現自動化等特點,是鋼軌探傷技術的重點研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題,研制了基于嵌入式系統的無損探傷試驗儀,通過實現MODBUS協議與變頻器通信,以此驅動交流電機與機械試驗裝置,完成運動控制并進行無損探傷試驗。

針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題,依據MODBUS協議規定,利用RealView MDK開發了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件,實現了與變頻器的MODBUS通信,完成變頻調速的運動控制功能。

1 MODBUS協議

1.1 MODBOS協議簡介

MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協議商標,該協議具有糾錯能力強、數據傳輸量大、實時性好等特點,是工業自動控制領域使用較廣泛的通訊語言,目前已成為我國工業自動化領域的一種國家標準。

MODBUS協議定義了一個控制器能識別的消息結構,它描述了控制器請求訪問和應答回應其他設備的過程,以及錯誤檢測和記錄的規范,制定了報文字段和內容的公共格式。MODBUS屬于應用層報文傳輸協議,其通信結構為一對多的主從查詢模式,即主從Master-Slave模式。MODBUS網絡上可以有多個從節點,但有且只能有一個主節點,主節點按照通信協議對從節點發出請求操作,從設備收到主節點的請求后,做出相應的響應再向主節點回復應答消息。

1.2 MODBOS協議組成

MODBUS協議具有兩種傳輸模式:ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數據以ASCH字符碼表示,通過冒號、回車字符判定數據幀的起始和結束,采用IRC數據檢驗;RTU模式中數據以非壓縮BCD碼表示,通過時間標記實現數據幀起始判定,采用CRC數據校驗,具有數據吞吐量高、傳輸穩定、通信效率高的優點。

由于變頻調速系統的安全性能要求較高,所以選擇通信效率高、時間管理嚴格的RTU傳輸模式。在協議幀組成上,MODBUS定義了一個基本的,與通信層無關數據協議單元PDU(Protocol Data Unit),并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應用數據單元ADU(Application Data Unit),形成完整的數據幀,MODBUS RTU數據幀組成如表1所示。

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在數據幀起始判定上,MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標記方法,即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發送3.5個字符的時間,該時間稱為T3.5。

基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

在MODBUS數據幀中,功能碼是指主節點對從節點的請求操作類型,常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。

基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

MODBUS RTU采用循環冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼,編碼簡單且誤判概率很低,在串行通信、以太網、MPEG解碼等通信領域中得到了廣泛應用。在通信過程中,發送方用待發送數據除以一個收發雙方約定的生成多項式,將得到余數作為CRC校驗多項式,附加在待發送數據尾部作為一個整體發送給接收方。接收方將收到的數據同樣除以生成多項式,若余數為零剛傳輸正常,若余數不為零則傳輸出錯。

2 電路連接及硬件參數

在無損探傷試驗儀中,選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心,而變頻器采用了煙臺惠豐公司的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協議與之通信,實現變頻調速的控制功能。RS485接口電路如圖2所示,STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx連接到MAX3485的RO、DI以進行RS232的數據收發;STM32F103ZET6的GPI01以I /O模式與MAX3485的接收使能端RE、發送使能端DE相連,對RS485半雙工總線的通信方向進行統一控制;而MAX3485的差分信號端A、B則通過插座與F2000-G相連,同時為保證通信質量,消除總線上的信號反射,需在RS485網絡終端的差分總線間串聯50Ω的電阻R1。

基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

在外設初始過程中,首先需要初始化USART3,按照F2000-G要求,采用的通信參數為:波特率9600kb·s-1,8位數據位,2位停止位,無奇偶校驗;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采用時間標記的方式進行協議幀的起始判定,所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數據幀的結束,而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個字符發送時間,因此設置TIM2的溢出時間為3ms;最后,為處理可能的總線延遲等通信故障,本文使用了系統定時器SysTick作超時判定,綜合考慮到變頻器動作時間、通信延遲等因素,超時判定的時間閾值取200ms。

3 MODBUS協議實現

在變頻調速系統中,STM32F103ZET6作為主節點負責變頻調速系統的功能控制,而變頻器F2000-G作為MODBUS從節點負責響應主節點的請求,完成對交流電機的運動控制。因此本文中變頻調速系統為基于MODBUS協議的主節點程序實現,MODBUS協議主要分為3部分:數據幀發送,數據幀接收和數據幀處理。

3.1 數據幀發送

發送數據時,必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協議幀才能成功進行發送,即MODBUS協議的編碼。由前所述,數據協議單元PDU包括功能碼和數據碼,PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數作為參數封裝成PDU。構建PDU之后,在數據幀頭部加入從機的地址,再將CR-C16校驗值寫入數據幀尾部即構成完整的應用數據單元ADU。

MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗,按照循環冗余檢驗算法,使用標準16位生成多項式,可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼。其程序流程可描述如下:

(1)初始化一個16位寄存器,所有位進行置1。

(2)該16位寄存器與待校驗數據串中第1Byte的數據進行異或,結果存回該寄存器。

(3)該16位寄存器右移一位。

(4)若該寄存器右移移出位為1,則與校驗多項式0A001H異或,否則重復步驟3。

(5)重復步驟3和步驟4直到該Byte的8位數據均處理完畢。

(6)取數據串中下一個數據與該16位數據進行異或結果存回寄存器。

(7)重復步驟3~步驟6,直到待校驗數據串中所有的字節數據均處理完畢。

(8)該16位寄存器中數據即CRC16的最終校驗結果,加至數據幀末端。

因為STM32F103ZET6芯片內USART3無硬件FIFO的特點,所以需要軟件上使用隊列的數據結構作為發送緩沖和接收緩沖,以此進行串行口的收發任務。因此,在工作模式上USART3的發送采用查詢式發送,一次性將發送緩沖區中的數據依次循環地發送出去,即隊列的出隊操作;而其接收模式為中斷式,在USART3每次接收中斷的響應函數中,軟件按時間先后順序將數據寫入接收緩沖區內,即隊列的入隊操作。

3.2 數據幀接收

在發送完請求幀后,STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收/發使能端,將RS485總線由發送狀態改為監聽狀態。在監聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應答幀的接收。

由于MODBUS RTU應答幀判定采取了時間標記法,因此本程序中使用了TM2作為觸發器進行時間管理。在接收過程中,USART3每次接收中斷對TM2進行復位操作以避免TIM2的溢出中斷;而當總線空閑了3.5個字符的發送時間后,TM2由于缺少USART3的復位,將產生溢出中斷,在中斷響應中完成關閉USART3結束數據通信和置應答幀接收完成標志位的操作。這種時間標記的程序均在后臺中斷中完成,主程序只需查詢接收完成標志位即可。

另一方面,由于從節點F2000-G可能存在著超時、無應答等通信故障,這就需要主節點STM32F103ZET6進行超時檢測。在STM32F103ZE6中,SysTick作為系統定時器,在芯片啟動后就以后臺方式運行,按ms計時并實時更新系統時間。因此在MODBUS RTU的超時判斷中,主程序可以利用該時鐘,循環地查詢當前時刻,并和發送完請求幀的起始時刻比較,若閾值時間200ms內仍然未收到請求幀,則認為通信失敗,返回應答超時碼。

3.3 數據幀處理

在完成數據幀正確接收的基礎上,STM32F0103ZET6必須進行應答幀處理,即MODBUS協議幀的解碼。系統從接收緩沖區中讀取應答幀。首先提取ADU進行地址碼和CRC校驗碼的判定;其次,再從PDU中提取ADU進行數據長度、功能碼、數據碼的判定;最后,如果校驗失敗則返回相應的校驗失敗碼,若校驗成功,則繼續從ADU/PDU中提取的數據進行處理,完成變頻調速的各種功能操作。最終,整個協議實現的軟件流程如圖3所示。

基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

4 嵌入式變頻調速系統

利用MODBUS協議,STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實現變頻調速的功能,例如目標頻率設置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數功能如表3所示。

基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

在實際應用中,STM32F103ZET6通過HMI接口實現人機交互,根據用戶輸入實現對交流電機的變頻調速操作。例如,欲啟動電機進行無損探傷試驗時,程序對F2000-G的2000H處寄存器寫入狀態字0001H,啟動電機正轉運行。通信記錄如下,主節點STM32F103ZET6啟動變頻器發送:01 06 20 00 00 01 43 CA;如果從節點F2000-G操作正常則應答:01 06 20 00 00 01 43 CA。

當STM32F103ZET6正確讀取完應答幀,并通過校驗后,即可判斷變頻器已成功啟動交流電機,機械試驗系統開始運行并逐步加速到目標轉速。

5 結束語

以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統,通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網絡。軟件部分介紹了MODBUS協議的特點及其組成,分析了MODBUS協議的實現原理,并結合嵌入式系統的工作特點實現了該協議的編程。基于MODBUS協議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實現了對機電試驗裝置的變頻調速控制。實踐表明,該系統性能可靠、通信穩定,滿足了無損探傷試驗儀在轉速為40~1 400r·min-1范圍內變頻調速的控制需求。

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