Modbus协议在多机系统开发中的应用

　　摘要：本文设计了电动机保护装置的通信机制,采用Modbus报文方式进行信息传递, 实现了多机系统中的信息交换,解决了主CPU模块处于黑匣子状况的问题,实现了各模块间的通信;采用CRC校验,提高了通信的准确性和可靠性,并提出了CRC校验实现的几种方法;在调试过程使用Modbus调试软件,模仿主方的通信过程,整个接收、发送过程都是透明的、清晰的,模块中的问题能得到及时的发现和解决,大大增强了不同开发人员、不同CPU之间的协调性,从而提高了装置研发的效率。

　　1 引言

　　在自控装置和电力系统微机综合保护以及其它工业自动化控制领域,微控制器的应用越来越 广泛,其装置的复杂性也越来越高。为了解决其开发对象实时多任务性的要求,单CPU、单个开发 的模式将被多个、多类型CPU 和多人协同开发的模式所代替，在这新的开发模式中,面临一个新 问题——在实施信息交互的过程中如何将实现CPU 之间信息交互的软硬件标准化,这是关系到 该模式能否成功实施的关键。在众多的通信方式中,基于UART 的RS-485 串行通信模式以其连 线简捷、高可靠性以及可带动多CPU 的能力而被广泛采用。在软件通信协议的选择上,Modbus 协议由于其通用、成熟的调试软件,为用户使用提供了诸多优势。因此,在开发新型电动机综合 保护装置的过程中,采用RS-485 串行通信方式和Modbus 通信协议,实现了多CPU 之间的数据和 控制命令的信息交互。为了增强串行通信的高效、协调性,笔者在通信机制的软硬件结构上采取 了很多措施,并取得了很好的效果。在调试系统通信阶段,使用了各CPU 模块先与Modbus 标准 测试软件通信,之后再互相联调的方法,大大提高了协同开发的效率。实践证明,该设计思想简化 了系统的结构,大大提高了装置的运行效率和可靠性。

　　2 电动机综合保护装置的特点

　　电动机综合保护装置除综合保护功能以外,兼有测量、远动和通信的功能;大屏幕的汉字液 晶显示,可以实现友好的人机界面;利用CAN 总线,与监控主机进行通信,从而构成分级分散式的 变电站综合自动化系统的子系统。由于装置需要实现多任务,为了优化系统功能, 采用了多CPU 的系统结构设计方法。其中一个CPU 负责定时采样脉冲发送;主CPU 模块负责数据处理、电量计算、故障判断和开关操作;而板模块上CPU 负责人机交互,并实现与主保护模块和监控主机的通 信任务。各个CPU 模块有明确的任务分工,研制时也容易实现多人协同开发。在整个构成中,串 行通信沟通了主CPU 和面板CPU,使人机交互成为可能,因而有着重要的地位。建立合理的通信 机制则是串行通信部分的的所在,它决定着通信的协调性和系统开发后期调试的效率。

　　3 通信机制介绍

　　3.1 通信机制硬件设计

　　本系统通信机制的提出以高效、可靠为目的。RS-485 为半双工结构,现场中比全双工往往更接 近于实用,在此采用只有2 条信号线的简易型连接。系统接口电路图由图1 所示，主保护模块上 的8051 单片机输出的TTL 逻辑电平通过光电隔离后,由MAX485 芯片转换为RS-495 电平,再由面 板模块上的MAX485 芯片转换为TTL 逻辑电平,由8031 单片机读取。在8051 单片机一侧,使用并 行输入输出口2 的一位P2.7 对MAX 输入使能端RE、输出使能端DE 进行控制。由图1 可知,当P2.7 输出高电平时,RE 使能,单片机一侧接收数据;当P2.7 输出低电平时,DE 使能,单片机一侧发送数 据。这样,避免了盲目发送造成的数据叠加丢失现象,通信质量高,通信速度也能得到保证。

　　3.2 通信协议

　　为了保证保护装置中两个模块之间能够正确地传递数据,必须有一套关于信息传输的模 式、数据格式和内容等的规定,即规约或通信协议。由于没有现成的较成熟的调试软件,主 CPU 模块基本是黑匣子,系统联调时的困难较多且难以克服。因此,采用了当前流行的 Modbus 通信协议,并结合本装置的特点加以简化,从而实现了模块间的通信,事实证明效果 很好。Modbus 的通信方式为主从方式，主方首先向从方发送通信请求指令,从方根据请求 指令中的功能码向主方发回数据。每个从方都有自己独立的地址，主方所发的请求帧和从方 所发的应答帧都是以从方地址开头的。从方只读发给自己的指令,对以其他从方地址开头的 报文不作应答，它是通过8051 的串行口工作方式2 或方式3 来实现的，这种一问一答的通 信模式,大大提高了通信的正确率，本文装置中采用了Modbus 的RTU 传送方式。

　　4 提高通信可靠性的措施

　　Modbus 报文末的两个字节为校验字节，RTU 方式通信采用CRC-16 位循环码冗余校验, 它的编译码设备比较简单，误判概率很低，可通过计算法和编程法实现，几种方法如下：

　　4.1 基本算法（人工笔算）

　　以CRC16-CCITT 为例进行说明，CRC 校验码为16 位，生成多项式17 位。假如数据流为 4 字节：BYTE[3]、BYTE[2]、BYTE[1]、BYTE[0]；

　　数据流左移16 位，相当于扩大256×256 倍，再除以生成多项式0x11021，进行不借位的除 法运算（相当于按位异或），所得的余数就是CRC 校验码。 发送时的数据流为6 字节：BYTE[3]、BYTE[2]、BYTE[1]、BYTE[0]、CRC[1]、CRC[0]。

　　4.2 计算机算法1（比特型算法）

　　1)将扩大后的数据流（6 字节）高16 位（BYTE[3]、BYTE[2]）放入长度为16 的寄存器；

　　2)如果寄存器的首位为1，将寄存器左移1 位(寄存器的位从下一个字节获得)，再与生成多项式的简记式异或；否则仅将寄存器左移1 位(寄存器的位从下一个字节获得)；

　　3)重复第2 步，直到数据流（6 字节）全部移入寄存器；

　　4)寄存器中的值则为CRC 校验码CRC[1]、CRC[0]。

　　4.3 计算机算法2（字节型算法）（256^n 表示256 的n 次方）

　　把按字节排列的数据流表示成数学多项式，设数据流为BYTE[n]BYTE[n－1]BYTE[n－2] ...BYTE[1]BYTE[0]，表示成数学表达式

　　BYTE[n]×256^n+BYTE[n-1]×256^(n-1)+ ...+BYTE[1]*256+BYTE[0]，在这里+表示为异或运算。设生成多项式为G17（17bit），则CRC 码为CRC16。

　　CRC16=(BYTE[n]×256^n+BYTE[n-1]×256^(n-1)+...+BYTE[1]×256+BYTE[0])×25

　　6^2/G17，即数据流左移16 位，再除以生成多项式G17。

　　经过推导可知，BYTE[n-1]字节的CRC 校验码等于上一字节CRC 校验码Y[n]的高8位（YH8[n]）与本字节BYTE[n-1]异或结果。

　　字节型算法如下：

　　1)CRC 寄存器组初始化为全"0"(0x0000)。

　　2)CRC 寄存器组向左移8 位,并保存到CRC 寄存器组。

　　3)原CRC 寄存器组高8 位（右移8 位）与数据字节进行异或运算，得出一个指向值表的索引。

　　4)索引所指的表值与CRC 寄存器组做异或运算。

　　5)数据指针加1，如果数据没有全部处理完，则重复步骤2)。

　　6)得出CRC。

　　5 提高通信效率的措施

　　5.1 将通信的接收和发送两个任务独立

　　8051 单片机可以使用中断的方法通过串行口发送和接收数据，串行口控制器SCON 可 以初始化、可以位寻址，当串行口发生中断请求时，SCON 低两位能锁存发送中断和接收中 断，当CPU 向串行口的发送数据缓冲器SUBF 写入一个数据或字符时（指令MOV SUBF， A），发送器就开始发送，当发送完一帧数据后，由硬件置“1”TI 标志，表示串行口正在向 CPU 请求中断，请求发送下一帧数据。同样，若串行口接受器允许接收，当接收器接收到 一帧数据，置“1”RI 标志，表示串行口正在向CPU 请求中断，请求CPU 到接收数据缓冲器 读取数据。

　　5.2 缩短中断时间

　　由于设计软件结构时使用了多个中断,为了保证程序的可靠运行,减少不同任务相互冲 突的机率,在编制软件时尽可能简练各种中断的任务,缩短中断执行时间。在通信中断子程序 中,进入中断后执行必要的任务,如：清串行口控制寄存器中相应的状态位,将刚接收到的字 符或需要发送的字符从缓冲区内读出或写入缓冲区,已接收或发送字符数增1 等,之后便立 即退出中断。其它任务如判断帧的有效性、对接收帧命令（遥测、遥控命令）的应答,准备 发送帧等,都放在主程序中完成。

　　5.3 有效地判断帧结束,防止通信停滞

　　利用单独的软件定时器,来判断一帧接收报文结束,可以防止若报文接收不完整,该帧通 信任务无法结束而影响下一帧的接收。由于一帧报文中字节与字节之间的时间间隔和帧与帧 之间的时间间隔相比要小得多,因此每当接收一个新字节,就启动软件定时器开始计时,定时 器的时间设定为帧与帧的时间间隔。波特率不同,该时间间隔也不同。若不到预定的时间内又接收到下一个字节,则说明一帧报文未结束,定时器重新计时;若定时器顺利计数到预 定时间,就会触发相应的中断号,在该定时器中断子程序中设定帧结束标志字节,表明一帧报 文接收完毕。当主程序内检测到一帧报文接收完毕后,会通过核查从方地址及循环冗余校验 字节是否正确来判断该帧的有效性。若确定接收到的是一帧发送给已方的正确报文,则会根 据报文内的功能码对该帧命令进行相应的处理,并准备发送帧，当从方接收报文不正确时发 回出错帧，如果从方收到的报文校验不正确,可采取不作应答的方式，主方若在规定时间内 未收到从方的应答报文时,将重发请求报文;若多次未收到从方应答报文,则报通讯故障。

　　5.4 通信速率的确定

　　由于所用的装置都在同一机箱内,模块与模块之间的间距很短,而Modbus 是基于RS485 的长距离通信,可以不考虑距离对通信波特率的影响,并且由于采用主从式通信模式,不会出 现线路堵塞现象。因此从通信效率来看,只要不超过模块所使用芯片对波特率的限制, 则设定的波特率越高,信息交互越快,通信效率也越高，由于设定通信双方波特率完全一致, 可以使接收端对每一个数据位的采样都发生在位周期的中点,从而实现可靠通信。

　　5.5 合理的调试方法

　　调试时先将各个CPU 模块分别通RS485/RS232 数据转化模块与微机进行通信测试，成 功后再进行模块间联调，大大提高了联调的效率。在调试各模块与微机通信的过程中，微机 使用Modbus 调试软件，模仿主方的通信过程，主动向从方索要信息，整个接收、发送过程 都是透明的、清晰的，从而使得模块中存在的问题得以及时解决；联调时，利用总线监控软 件观察双方的数据，及时地发现问题和解决问题。

　　6 本文的创新点

　　，本文在保护装置中的采用Modbus 这种通用的工业标准，所需的工具软件可以直 接从相关网站获得，不需知识产权方面的花费；第二，保护装置实施多任务化，利用Modbus 协议创建了CPU 模块间合理的联调机制，大大提高了系统协同开发的效率。