基于Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用

作者：吴寅华，赵 敏 南京航空航天大学

漏磁探伤作为非接触式的无损探伤技术，其具有检测速度快、灵敏度高、无需耦合剂、易于实现自动化等特点，是钢轨探伤技术的重点研究方向。为解决漏磁探伤研究中的实验仿真问题，研制了基于嵌入式系统的无损探伤试验仪，通过实现MODBUS协议与变频器通信，以此驱动交流电机与机械试验装置，完成运动控制并进行无损探伤试验。
针对无损探伤试验仪中变频器通信问题，依据MODBUS协议规定，利用RealView MDK开发了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式软件，实现了与变频器的MODBUS通信，完成变频调速的运动控制功能。

1 MODBUS协议
1．1 MODBOS协议简介
MODBUS是Gould Ine注册的通讯协议商标，该协议具有纠错能力强、数据传输量大、实时性好等特点，是工业自动控制领域使用较广泛的通讯语言，目前已成为我国工业自动化领域的一种国家标准。
MODBUS协议定义了一个控制器能识别的消息结构，它描述了控制器请求访问和应答回应其他设备的过程，以及错误检测和记录的规范，制定了报文字段和内容的公共格式。MODBUS属于应用层报文传输协议，其通信结构为一对多的主从查询模式，即主从Master-Slave模式。  MODBUS网络上可以有多个从节点，但有且只能有一个主节点，主节点按照通信协议对从节点发出请求操作，从设备收到主节点的请求后，做出相应的响应再向主节点回复应答消息。
1．2 MODBOS协议组成
MODBUS协议具有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中数据以ASCH字符码表示，通过冒号、回车字符判定数据帧的起始和结束，采用IRC数据检验；RTU模式中数据以非压缩BCD码表示，通过时间标记实现数据帧起始判定，采用CRC数据校验，具有数据吞吐量高、传输稳定、通信效率高的优点。
由于变频调速系统的安全性能要求较高，所以选择通信效率高、时间管理严格的RTU传输模式。在协议帧组成上，MODBUS定义了一个基本的，与通信层无关数据协议单元PDU(Protocol Data Unit)，并通过在PDU上添加地址、校验等附加域定义了应用数据单元ADU(Application Data Unit)，形成完整的数据帧，MODBUS RTU数据帧组成如表1所示。
   
   
在数据帧起始判定上，MODBUS RTU采用了如图1所示的时间标记方法，即相邻的两帧之间必须间隔至少为总线发送3．5个字符的时间，该时间称为T3.5。
   
   在MODBUS数据帧中，功能码是指主节点对从节点的请求操作类型，常用的MODBUS功能码及其功能如表2所示。
   
   
MODBUS RTU采用循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)是一种被广泛采用的多项式编码，编码简单且误判概率很低，在串行通信、以太网、MPEG解码等通信领域中得到了广泛应用。在通信过程中，发送方用待发送数据除以一个收发双方约定的生成多项式，将得到余数作为CRC校验多项式，附加在待发送数据尾部作为一个整体发送给接收方。接收方将收到的数据同样除以生成多项式，若余数为零刚传输正常，若余数不为零则传输出错。

2 电路连接及硬件参数
在无损探伤试验仪中，选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103ZET6微控制器作为处理核心，而变频器采用了烟台惠丰公司的F2000-G矢量变频酪。STM32F103ZET6通过基于MAX3485的RS485链路与F2000-G相连，按照MODBUS协议与之通信，实现变频调速的控制功能。RS485接口电路如图2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx连接到MAX3485的RO、DI以进行RS232的数据收发；STM32F103ZET6的GPI01以I ／O模式与MAX3485的接收使能端RE、发送使能端DE相连，对RS485半双工总线的通信方向进行统一控制；而MAX3485的差分信号端A、B则通过插座与F2000-G相连，同时为保证通信质量，消除总线上的信号反射，需在RS485网络终端的差分总线间串联50 Ω的电阻R1。
   
   在外设初始过程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信参数为：波特率9 600 kb·s-1，8位数据位，2位停止位，无奇偶校验；其次，还需初始化STM32F103ZET6的GPI01为输出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用时间标记的方式进行协议帧的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定时器TIM2用以判定数据帧的结束，而MODBUS RTU中T3.5在工程应用通常取4个字符发送时间，因此设置TIM2的溢出时间为3 ms；最后，为处理可能的总线延迟等通信故障，本文使用了系统定时器SysTick作超时判定，综合考虑到变频器动作时间、通信延迟等因素，超时判定的时间阈值取200 ms。

3 MODBUS协议实现
在变频调速系统中，STM32F103ZET6作为主节点负责变频调速系统的功能控制，而变频器F2000-G作为MODBUS从节点负责响应主节点的请求，完成对交流电机的运动控制。因此本文中变频调速系统为基于MODBUS协议的主节点程序实现，MODBUS协议主要分为3部分：数据帧发送，数据帧接收和数据帧处理。
3．1 数据帧发送
发送数据时，必须将请求操作封装成标准的MODBUS协议帧才能成功进行发送，即MODBUS协议的编码。由前所述，数据协议单元PDU包括功能码和数据码，PDU的封装可以归纳为将操作类型和操作参数作为参数封装成PDU。构建PDU之后，在数据帧头部加入从机的地址，再将CR-C16校验值写入数据帧尾部即构成完整的应用数据单元ADU。
MODBUS中使用CRC16作为冗余校验，按照循环冗余检验算法，使用标准16位生成多项式，可对任意长度的信息字段校验出一个16位的校验码。其程序流程可描述如下：
(1)初始化一个16位寄存器，所有位进行置1。
(2)该16位寄存器与待校验数据串中第1 Byte的数据进行异或，结果存回该寄存器。
(3)该16位寄存器右移一位。
(4)若该寄存器右移移出位为1，则与校验多项式0A001H异或，否则重复步骤3。
(5)重复步骤3和步骤4直到该Byte的8位数据均处理完毕。
(6)取数据串中下一个数据与该16位数据进行异或结果存回寄存器。
(7)重复步骤3～步骤6，直到待校验数据串中所有的字节数据均处理完毕。
(8)该16位寄存器中数据即CRC16的最终校验结果，加至数据帧末端。
因为STM32F103ZET6芯片内USART3无硬件FIFO的特点，所以需要软件上使用队列的数据结构作为发送缓冲和接收缓冲，以此进行串行口的收发任务。因此，在工作模式上USART3的发送采用查询式发送，一次性将发送缓冲区中的数据依次循环地发送出去，即队列的出队操作；而其接收模式为中断式，在USART3每次接收中断的响应函数中，软件按时间先后顺序将数据写入接收缓冲区内，即队列的入队操作。
3．2 数据帧接收
在发送完请求帧后，STM32F103ZET6通过GPIO操作总线的收／发使能端，将RS485总线由发送状态改为监听状态。在监听过程中SMT32F1-03ZET6完成变频器F2000-G应答帧的接收。
由于MODBUS RTU应答帧判定采取了时间标记法，因此本程序中使用了TM2作为触发器进行时间管理。在接收过程中，USART3每次接收中断对TM2进行复位操作以避免TIM2的溢出中断；而当总线空闲了3．5个字符的发送时间后，TM2由于缺少USART3的复位，将产生溢出中断，在中断响应中完成关闭USART3结束数据通信和置应答帧接收完成标志位的操作。这种时间标记的程序均在后台中断中完成，主程序只需查询接收完成标志位即可。
另一方面，由于从节点F2000-G可能存在着超时、无应答等通信故障，这就需要主节点STM32F103ZET6进行超时检测。在STM32F103ZE6中，SysTick作为系统定时器，在芯片启动后就以后台方式运行，按ms计时并实时更新系统时间。因此在MODBUS RTU的超时判断中，主程序可以利用该时钟，循环地查询当前时刻，并和发送完请求帧的起始时刻比较，若阈值时间200 ms内仍然未收到请求帧，则认为通信失败，返回应答超时码。
3．3 数据帧处理
在完成数据帧正确接收的基础上，STM32F0103ZET6必须进行应答帧处理，即MODBUS协议帧的解码。系统从接收缓冲区中读取应答帧。首先提取ADU进行地址码和CRC校验码的判定；其次，再从PDU中提取ADU进行数据长度、功能码、数据码的判定；最后，如果校验失败则返回相应的校验失败码，若校验成功，则继续从ADU／PDU中提取的数据进行处理，完成变频调速的各种功能操作。最终，整个协议实现的软件流程如图3所示。
   

4 嵌入式变频调速系统
利用MODBUS协议，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各种功能实现变频调速的功能，例如目标频率设置和变频控制等。常用功能命令的地址及其参数功能如表3所示。
   
   
在实际应用中，STM32F103ZET6通过HMI接口实现人机交互，根据用户输入实现对交流电机的变频调速操作。例如，欲启动电机进行无损探伤试验时，程序对F2000-G的2000H处寄存器写入状态字0001H，启动电机正转运行。通信记录如下，主节点STM32F103ZET6启动变频器发送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果从节点F2000-G操作正常则应答：01 06 20 00 00 01 43 CA。
当STM32F103ZET6正确读取完应答帧，并通过校验后，即可判断变频器已成功启动交流电机，机械试验系统开始运行并逐步加速到目标转速。

5 结束语
以STM32F103ZET6为核心的嵌入式系统，通过MAX3485与变频器F2000-G组成基于RS485的网络。软件部分介绍了MODBUS协议的特点及其组成，分析了MODBUS协议的实现原理，并结合嵌入式系统的工作特点实现了该协议的编程。基于MODBUS协议的嵌入式软件通过与F2000-G的通信实现了对机电试验装置的变频调速控制。实践表明，该系统性能可靠、通信稳定，满足了无损探伤试验仪在转速为40～1 400 r·min-1范围内变频调速的控制需求。