基于Modbus规约的智能仪表与PC机通信技术实现

摘 要：本文主要介绍Modbus RTU规约，及在VB6.0编程环境下通过RS-485串口实现主控台PC机与智能仪表间基与该规约通信的具体实现方法。
关键词：Modbus RTU；通信协议；RS-485；CRC校验
一、引言
随着时代的进步，越来越多的企业开始向生产和管理自动化转变。各种智能仪表不断地应用到生产生活的各个领域。在工业控制方面，RS－485总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传输距离远 、有较大级连能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。ModBus RTU规约是Modicon公司的注册商标，是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一。在各个工业仪器仪表大量使用的今天，Modbus RTU协议和RS-485总线得到了最为广泛的应用。本文主要从应用的角度介绍在一个工业控制系统中，实现该技术的具体方案。
二、Modbus RTU 通讯协议简介
1、Modbus RTU协议简介
ModBus RTU通讯协议是Modicon公司的注册商标。采用主从问答方式工作，其规范已在国际互联网上公布，是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一。目前，国内许多生产商已在他们的产品和系统中遵循该协议标准。该协议有两种传输模式即RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息帧中的8位数据包括两个4位16进制字符，相对于ASCII模式，RTU模式表达相同的信息需要较少的位数，且在相同通讯速率下具有更大的数据流量。因此通常情况下，一般工业智能仪器仪表都是采用RTU模式的Modbus规约。
2、Modbus 通信格式
数据格式： 地址码 功能码 数据区 错误校检

　
数据长度： 1字节 1字节 N字节 16位CRC码

当通讯命令由发送设备（上位机）发送至接收设备（下位机）时，符合相应地址码的下位机就会响应命令，并根据约定的通信协议读取信息、数据校验并且执行相应的功能操作。返回的帧结构包含地址码、功能码、数据以及CRC校验码。
3、上下位机通信帧约定格式
其中的仪表地址在使用的电压表中是为一个字节定义的，所以最多到256个。下位机与上位机的通信波特率一般可自由设定，但必须保证上下机的通信波特率对应匹配。
三、上位机通信软件设计方案
上位机的通信软件采用VB6.0的开发环境。在VB6.0中对串口进行编程可以使用Mscomm控件加快开发进度。该控件主要是为RS－232的通用串口而设计。所以为了利用PC上现有的RS－232接口，通常是使用RS232/485的转换器。这些转换器一般通过逻辑门电路控制RXD、TXD和GND三针信号，从而自动对半双工或全双工的485串口进行控制。通过转换器，我们就可以像开发通用的RS－232串口一样来快速开发基于RS－485串口的上位机通信软件。
1、初始化程序设计
在初始化程序中，主要是设定好整个帧结构的命令数组、传输波特率、以及一些必须的串口初始设定。具体
操作如下面代码说明
Dim Tcommand(7) As Byte ‘开辟命令帧的帧长度数组
MSComm.CommPort = 1 ‘设定需要使用的串口，当然这里可以用输入方式灵活设定。暂定为1＃口
MSComm.Settings="2400,n,8,1" ‘设定传输的波特率和校验方式
MSComm.InBufferSize = 1024 ‘开辟数据缓冲区
MSComm.InputMode =comInputModeBinary ‘设定为二进制的数据流方式
MSComm.InputLen = 0 ‘一次全部读入所需要的数据
……

上面的代码一般都是串口初始化必须进行设定的几个部分。根据个人需要可以在VB6.0中做一个初始化界面，对各个参数（如波特率、使用串口等）进行自由设定和更改，以提高初始化设定的灵活性和通用性。
2、命令字发送
命令字发送应该严格按照Modbus规约所设计的帧格式和上下位机在该规约基础上所定义的通信协议。参考表1的通信协议顺序，编写如下的VB代码来实现命令的发送。
Tcommand (0) = address ‘ address为设定的接受地址输入的变量
Tcommand (1) = Val("&h" + "03")
……（其他的通信协议，并计算CRC校验代码）
Tcommand (6) = CRC(1)
Tcommand (7) = CRC(0)
frmcontrol.MSComm.Output = Tcommand
……

3、上位机接收和数据处理
根据表2的回送通信协议，上位机解析所接受的数据，并进行必要的处理。一般而言从下位机发送上来的数据都是有一定的帧长度。特别是对于一些固化好的智能仪表。所以最好的方法是按照通信回送的帧长度，在上位机程序中分别开辟两个同样长度的数组。一个作为接受数组，用来一次性接收串口缓冲区中的数据；另一个为安全数组，用来复制接收数组中的数据并进行解析。这样可以提高整个系统的容错能力。
LoopUntil frmcontrol.MSComm.InBufferCount = 9
InByte = frmcontrol.MSComm.Input
For i = 0 To (count - 1)
InSafeArray(i) = InByte(i)
Next i

其代码中的inbyte（）就是接收数组，而InSafeArray()就是我们再开辟的安全数组。
4、CRC校验的实现方法
按照Modbus规约的校验方式，RTU模式的校验方式为CRC校验方式；而ASCII模式为LRC校验。一般的智能仪表多采用RTU的CRC校验方式。根据生成多项式的不同，CRC校验通常有以下几种：CRC－12 （传6bit）；CRC－16（美国标准，传8bit）；CRC－CCITT（欧洲标准，传8bit）；CRC－32（point-to－point同步传输中使用） 。目前仪表类比较普遍的是CRC－16的校验码。其生成多项式为X16+X15+X2+1。在算法实现上，我们可以先预置一个16位的寄存器FFFF（全1），然后把8位的2进制数据（一个字节）与16位的CRC寄存器低8位异或，并把结果放回CRC寄存器同时寄存器内容右移，MSB补0，并检查移出的LSB。如果LSB为0则继续右移动，为1则CRC寄存器与多项式异或。重复上面操作到一个8bit字节完成，再继续对下一个数据进行相同处理，直到所有数据结束。这个时候CRC寄存器中的数据就是我们所要的CRC码了。实现代码如下：
CRC16Lo = &HFF ‘CRC16Lo为CRC寄存器低8位
CRC16Hi = &HFF ‘CRC16Hi为CRC寄存器高8位
CL = &H1
CH = &HA0 ‘A001 H 是CRC－16多项式代码
For i = 0 To UBound(Data)
CRC16Lo = CRC16Lo Xor Data(i) ‘每一个数据与CRC寄存器异或
For index = 0 To 7
UseHi = CRC16Hi
UseLo = CRC16Lo
CRC16Hi = CRC16Hi \ 2
CRC16Lo = CRC16Lo \ 2 ‘右移一位
If ((UseHi And &H1) = &H1) Then ‘如果高位字节最后一位是1的话
CRC16Lo = CRC16Lo Or &H80 ‘低位字节右移后前面补1
End If
If ((UseLo And &H1) = &H1) Then ‘'如果LSB 为1，则与多项式进行异或
CRC16Hi = CRC16Hi Xor CH
CRC16Lo = CRC16Lo Xor CL
End If
Next index
Next i

四、下位机工作系统设计简介
下位机一般是使用固化好通信协议及工作指令的单片机。因为测控系统多采用的是单发多收的通信机制，所以在下位机要允许用户预先设定本机的地址码，并且保证不能重复。此外，要注意通信波特率必须与上位机的波特率相匹配。在下位机软件开发中，要遵循Modbus规约的通信帧结构对上位机传输的命令进行解析：非呼叫对象应能及时重新恢复等待接受状态；响应呼叫的下位机要解析命令代码并进行相应的功能处理，对非法的命令操作要能回送报错信息。
在具体的工程开发中，下位机多是采用各个厂家出品的基与Modbus规约的智能仪表。这样虽然简化了我们开发的工作量，但是下位机的合理安排与设计能降低系统误码率、提高可靠性。因此是每个工业系统设计人员所不应该忽略的重要部分。在工业控制中，因为各种干扰源的存在且一般下位机数量较大，要对RS－485芯片选型有很认真的考虑。条件许可的话尽量选用抗电击和有较大级连驱动能力的芯片。理论上485芯片的级连能力至少32门，目前很多芯片厂家都能使工业级的级连数达到128以上。在实际应用中应该让系统具有一定的富余度，一般级连数不能超过该器件满载的70％。在选配RS232到RS485转换头的时候也应该尽量选用有源的转换器，以提高驱动能力和稳定性。此外，工业现场的降噪、隔离、布线、屏蔽等等措施的合理与否也会对最后系统的稳定产生影响。
五、结束语
作者在实际的测控系统项目开发中，通过VB6.0结合SQL数据库编程，开发了基于该通信协议的上位机的测控管理软件，并利用RS－485总线实现了对基于该规约的各种下位机的监控和数据处理。在生产活动自动化，通信协议规范化，信息交流国际化的今天，充分利用现有的成熟而规范的通信协议能最大限度地节约开发成本，降低开发风险，提高系统的兼容性和可移植性。Modbus RTU规约作为智能仪器仪表领域大量使用的国际化通信协议，必将得到更加普遍的推广和应用。