1、嵌入式系统中 MODBUS 通信的教学研究与实践打开文本图片集摘要：文章针对 MODBUS 通信协议进行了实践和教学研究。首先，指出了MODBUS 协议的重要性以及地位作用;其次，分析了 MODBUS 帧的结构和通信原理，再利用一个通信项目分析了 MODBUS 通信的详细过程和开发代码;最后，指出 MODBUS 通信过程中需要注意的问题，并进行了总结，这对于 MODBUS 项目的研究与开发有重要的参考价值。关键词：MODBUS 通信协议;STC 单片机;485 通信;工业物联网1网络通信概述随着计算机通信技术的发展，越来越多的计算机系统连接到网络当中，网络通信成为当前信息科学最为热点的问题之一
2、，尤其在工业控制与物联网领域，如何安全、快速、便捷地传送数据，成为衡量工业发展水平的重要标志之一。与传统 PC 机相比，工业领域的信息通信的特点1在于：通信主机结构类型不尽相同;通信环境有可能会受到辐射干扰;通信设备成本限制;通信组网信息安全;网络拓扑结构各异。在这种背景下，选择什么样的通信方式和通信协议，就显得异常关键。2MODBUS 通信协议MODBUS2是由施耐德电气（现在的 Modicon 公司）于 1979 年为 PLC 之间的通信而研发的一种串行通信协议，它为连接至不同类型总线或网络的设备之间提供了 C/S 通信，目前已经成为工业领域通信协议的业界标准。自 1979 年以来，使成千
3、上万的自动化设备能够通信，很好地解决工业领域面临的通信难题，成为目前主流的工业物联网通信协议。MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（ProtocolData Unit，PDU）。特定总线或网络上的 MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（Application Data Unit，ADU）上引入一些附加域。启动 MODBUS 事务处理的客户机创建 MODBUS 应用数据单元。功能码向服务器指示将执行哪种操作。MODBUS 协议建立了客户机启动的请求格式。MODBUS 事务处理流程如图 1 所示。3MODBUS 通信实践与教学3.1总体结构采用单片机与 PC 上位机的
4、串口通信方式，并采用 RS485 总线进行信号传输，以保证信号的总体质量。单片机一端作为服务器端，不主动发送数据，只是等待应答客户端请求的数据。PC 机作为客户端，负责启动请求与接收响应。与 RS232 相比，采用 RS485 总线的好处在于：（1）传输方式不同。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。而 RS485 则采用平衡传输，即差分传输方式。在稳定性和抗干扰性方面都有明显优势。（2）传输距离不同。RS-232适合本地设备之间的通信，传输距离一般不超过 20 m。而 RS-485 的传输距离为几十米到上千米。（3）主机数量不同。RS-232 只允許一对一通信，而 RS-485
5、接口在总线上是允许连接收发器多达 128 个。3.2MODBUS 软件设计MODBUS 公共功能码是 MODBUS 协议通用的功能码，这个功能码是预先被定义好的，并且需要保证是唯一的、公开证明的。对应于每个操作访问，相关程序代码如下：void readCoil（void）;/读线圈void readRegisters（void）;/读寄存器void forceSingleCoil（void）;/强制单个线圈void presetSingleRegister（void）;/设置单个寄存器void presetMultipleRegisters（void）;/设置多个寄存器void forceMu
6、ltipleCoils（void）;/强制多个线圈3.3MODBUS 通信从机软件设计MOBUS 通信的主要过程包括：（1）进行系统初始化设置，主要包括定时器初始化，串口初始化，中断服务函数的编写和变量定义。（2）定时处理，不是指定时器与计数器的初始化，而是指判断一个完整的 MODBUS 帧是否结束的时间。关于区分两个帧的间隔时间，有许多衡量方法，一般采用延时几十微秒的方法。（3）循环监听 MODBUS 状态，一旦收到完整的数据帧，便开始处理，利用前面讲到的 MODBUS 库函数进行处理。在完成读写任务后，按照 MODBUS 帧规则，应答数据通过 MODBUS 总线传回客户端。部分初始化代码如
7、下。/串口初始化代码void UartInit（ULONG baud，UCHAR mode）IE=0 x90;TMOD=（TMOD&0X0F）|0X20;TH1=-22118400L/12/32/9600;TL1=-22118400L/12/32/9600;TR1=1;SCON=0X50;PCON|=0X80;/串口中断服务函数代码void commIntProc（void）interrupt 4 if（！RI）return;RI=0;receTimeOut=20;receBufreceCount=SBUF;receCount+;receCount&=0 x0f;4开发过程需要注意的问题4.1
8、单片机型号的选择单片机最常用的主要包括 89C51 和 89C52 系列，许多型号的单片机均可采用这種型号的工程。然而，单片机开发时最好要用自己的工程型号以及头文件。如本例用到的 STC15 系列单片机，需要在建立工程时便选定型号，并且加入其特有的头文件：#include“stc15.h”。这样，才能保证工程能够编译通过并正确下载到芯片中。4.2波特率的控制在传输过程中，客户机与服务器的波特率设置必须完全一致，否则将接收不到正确的数据。受到传输距离和单片机性能的约束，在速度选择上要适中，具体情况要通过实验得以验证，一般不宜过高或过低。4.3传输距离MODBUS 通信物理层多采用的是串行通信，在
9、通信过程中不同类型的串行通信差别很大，如 RS232 和 RS485 在通信原理和通信性能上都存在很大差异，在开发过程中，应该根据需要合理选择，避免造成信号不稳定。4.4CRC 校验码循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）可以有效地检测到传输问题导致的数据错误，它的原理是利用 CRC 算法将数据帧转换成一个 CRC 检验码，接收方在接收到数据以后，再重新计算校验码并与发送时的检验码相比对，以检验数据的准确性。在实践过程中，CRC 校验码的生成和检测一般直接利用库函数完成，不是 MODBUS 研究的重点，在开发和教学过程中应当注意区分。4.5节点数量有的项目可能
10、需要几百甚至上千个节点进行 485 通信，从理论上讲，无论是MODBUS 还是 485 总线都是有数量限制的，MODBUS 的数量最多 240 个。485 总线根据芯片的不同，差异也很大，在几十到几百之间。同时，还受到线路长度的影响。如果想让更多的设备连接在一起，需要采用中继器或者多串口服务器一类的设备进行网络拓扑。5结语通过对 MODBUS 的系统研究与实验论证，证明 MODBUS 协议在单片机平台上，利用 RS485 通信是十分可靠并可以实现的，可以应用到嵌入式系统等相关课程的教学当中。通过合理的组织教学，让学生能够熟悉并掌握工业现场的应用技术，更接近市场的人才需求，内容适合物联网相关专业的学生学习。同时，还要注意讲授内容的取舍，把重点放在 MODBUS 协议本身，以免使学生产生畏难心理。