3 MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，STM32F103ZET6作為主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的請求，完成對(duì)交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數(shù)據(jù)幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。

3．1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須將請求操作封裝成標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議幀才能成功進(jìn)行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機(jī)的地址，再將CR-C16校驗(yàn)值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU。

MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗(yàn)，按照循環(huán)冗余檢驗(yàn)算法，使用標(biāo)準(zhǔn)16位生成多項(xiàng)式，可對(duì)任意長度的信息字段校驗(yàn)出一個(gè)16位的校驗(yàn)碼。其程序流程可描述如下：

(1)初始化一個(gè)16位寄存器，所有位進(jìn)行置1。
(2)該16位寄存器與待校驗(yàn)數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，結(jié)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(yàn)多項(xiàng)式0A001H異或，否則重復(fù)步驟3。
(5)重復(fù)步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢。
(6)取數(shù)據(jù)串中下一個(gè)數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或結(jié)果存回寄存器。
(7)重復(fù)步驟3～步驟6，直到待校驗(yàn)數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢。
(8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗(yàn)結(jié)果，加至數(shù)據(jù)幀末端。

因?yàn)镾TM32F103ZET6芯片內(nèi)USART3無硬件FIFO的特點(diǎn)，所以需要軟件上使用隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進(jìn)行串行口的收發(fā)任務(wù)。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊(duì)列的出隊(duì)操作；而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應(yīng)函數(shù)中，軟件按時(shí)間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi)，即隊(duì)列的入隊(duì)操作。

3．2 數(shù)據(jù)幀接收

在發(fā)送完請求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應(yīng)答幀的接收。

由于MODBUS RTU應(yīng)答幀判定采取了時(shí)間標(biāo)記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間管理。在接收過程中，USART3每次接收中斷對(duì)TM2進(jìn)行復(fù)位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當(dāng)總線空閑了3．5個(gè)字符的發(fā)送時(shí)間后，TM2由于缺少USART3的復(fù)位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應(yīng)中完成關(guān)閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應(yīng)答幀接收完成標(biāo)志位的操作。這種時(shí)間標(biāo)記的程序均在后臺(tái)中斷中完成，主程序只需查詢接收完成標(biāo)志位即可。
另一方面，由于從節(jié)點(diǎn)F2000-G可能存在著超時(shí)、無應(yīng)答等通信故障，這就需要主節(jié)點(diǎn)STM32F103ZET6進(jìn)行超時(shí)檢測。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統(tǒng)定時(shí)器，在芯片啟動(dòng)后就以后臺(tái)方式運(yùn)行，按ms計(jì)時(shí)并實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)時(shí)間。因此在MODBUS RTU的超時(shí)判斷中，主程序可以利用該時(shí)鐘，循環(huán)地查詢當(dāng)前時(shí)刻，并和發(fā)送完請求幀的起始時(shí)刻比較，若閾值時(shí)間200 ms內(nèi)仍然未收到請求幀，則認(rèn)為通信失敗，返回應(yīng)答超時(shí)碼。

3．3 數(shù)據(jù)幀處理

在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎(chǔ)上，STM32F0103ZET6必須進(jìn)行應(yīng)答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應(yīng)答幀。首先提取ADU進(jìn)行地址碼和CRC校驗(yàn)碼的判定；其次，再從PDU中提取ADU進(jìn)行數(shù)據(jù)長度、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定；最后，如果校驗(yàn)失敗則返回相應(yīng)的校驗(yàn)失敗碼，若校驗(yàn)成功，則繼續(xù)從ADU／PDU中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成變頻調(diào)速的各種功能操作。最終，整個(gè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。

4 嵌入式變頻調(diào)速系統(tǒng)

利用MODBUS協(xié)議，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，例如目標(biāo)頻率設(shè)置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數(shù)功能如表3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，根據(jù)用戶輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的變頻調(diào)速操作。例如，欲啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無損探傷試驗(yàn)時(shí)，程序?qū)2000-G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H，啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。通信記錄如下，主節(jié)點(diǎn)STM32F103ZET6啟動(dòng)變頻器發(fā)送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果從節(jié)點(diǎn)F2000-G操作正常則應(yīng)答：01 06 20 00 00 01 43 CA。

當(dāng)STM32F103ZET6正確讀取完應(yīng)答幀，并通過校驗(yàn)后，即可判斷變頻器已成功啟動(dòng)交流電機(jī)，機(jī)械試驗(yàn)系統(tǒng)開始運(yùn)行并逐步加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。