Modbus RTU通信協議在MCF51QE128上的實現

引言
工業控制已從單機控制走向集中監控、集散控制，如今已進入網絡集約制造時代。工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。Modbus就是工業控制器的網絡協議中的一種。Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通信規約。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。它已經成為主流的工業標準之一。不同廠商生產的控制設備通過Modbus協議可以連成工業網絡，進行集中監控。

Modbus通信協議
1 通信傳送方式
每一個數據字節包括：每個字節的位、1個起始位、8個數據位、最小的有效位先發送、1個奇偶校驗位（無校驗則無）、1個停止位（有校驗時）、2個停止位（無校驗時）。
在RTU模式下每個字節的格式（11bit）如下：
編碼系統：8位二進制
字節組成：1bit起始位、8bit數據位，最低位最先發送、1bit奇偶校驗位、1bit停止位（或者沒奇偶校驗位，就發送一個附加的停止位）。
2 數據幀結構
地址碼：地址碼為通信傳送的第一字節。這字節表明由用戶設定地址碼的從機將接收由主機發送來的信息。并且每個從機都有唯一的地址碼，并且響應回送均以各自的地址碼開始。主機發送的地址碼表明將發送到的從機地址，而從機發送的地址碼表明回送的從機地址。
功能碼：通信傳送的第二字節。ModBus通信規約定義功能號為1～127。根據實際需要只利用其中的一部分功能碼。作為主機請求發送，通過功能碼告訴從機執行什么動作。作為從機響應，從機發送的功能碼與從主機發送來的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進行操作。如果從機發送的功能碼的最高位為１，則表明從機沒有響應操作或發送出錯。

表1 每一個完整的數據幀構成

數據區：數據區根據不同的功能碼而不同。數據區可以是實際數值、設置點、主機發送給從機或從機發送給主機的地址。
CRC碼：二字節的錯誤檢測碼。冗余循環碼檢查（CRC）包含兩字節，即16位二進制。CRC碼由發送設備計算，放置于發送信息的尾部。接收信息的設備再重新計算接收到信息的CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。CRC碼的計算方法是，先預置16位寄存器全為1。再逐步把每8位數據信息進行處理。在進行CRC碼計算時只用8位數據位、起始位及停止位，如有奇偶校驗位的話也包括奇偶校驗位，都不參與CRC碼計算。
在計算CRC碼時，8位數據與寄存器的數據相異或，得到的結果向低位移一位，用0填補最高位。再檢查最低位，如果最低位為1，把寄存器的內容與預置數相異或，如果最低位為0，不進行異或運算。
這個過程一直重復8次。第8次移位后，下一個8位再與現在寄存器的內容相異或，這個過程與以上一樣重復8次。當所有的數據信息處理完后，最后寄存器的內容即為CRC碼值。CRC碼中的數據發送、接收時低字節在前。在實際應用中，為了提高運算速度，采用了查表的方法取代計算方法。
3 Modbus RTU數據幀結構
在RTU模式下，每一個數據幀之間的間隔至少是3.5個字符位。一個完整的數據幀必須要連續的傳送，當一幀消息中兩字節間的間距大于1.5字符位時，此數據幀錯誤，被接受方放棄。
當通信波特率小于等于19 200b/s。對1.5個字符位/3.5個字符位計算時間有嚴格要求。當通信波特率大于19 200b/s。1.5個字符位固定為750μs,3.5個字符位固定為1.75ms。官方的Modbus RTU規定標準為3.5個字符長周期，不同的串口設備由于使用環境不同可能在發送中出現5～10字長的間隙。對于Modbus RTU來說比較安全的設置為50ms。
4 用到的功能代碼
用到的功能代碼如表2所示。

表2 功能代碼

MCF51QE128的主要特性

系統核心控制器采用的是Freescale公司推出的32位單片機MCF51QE128。它是一款32位ColdFire V1 MCU，特點包括：停止電流降至370nA，6μs喚醒時間，超低運行電流為50mA；50.33MHz ColdFire V1內核運行頻率；25.165MHz的總線頻率；最大為8KB的RAM；最高128KB的閃存；24信道的12位ADC；兩個模擬比較器；2xSCI、2xI2C、2xSPI；一個6信道和兩個3信道的定時器PWM模塊；RTC；最多70路通用輸入/輸出（GPIO）；系統集成頻率鎖定環（FLL）和軟件看門狗；內部時鐘源（ICS）；低功耗外部32kHz振蕩器；電壓范圍為1.8～  3.6V；增強型內部振蕩器、電壓調節器和實時計數器。通用開發環境是CodeWarrior for Microcontrollers 6.0。

軟件設計
1 接收軟件流程
如圖1所示。

圖1 從機軟件流程
2 配置串口和定時器
void usart_init()
{ 
 SCI1C1=0x13;//9bit character mode,odd parity
 SCI1C2=0x2c;
 SCI1BDL=0x29;//38400bps
 SCI1BDH=0;
}
void timer3_init(void)//8MHz主時鐘1333Hz中斷判斷命令包結束
{
 TPM3CNTH=0;
 TPM3CNTL=0;
 TPM3MODH=0x49;
 TPM3MODL=0xbe;  
 TPM3SC=0x48; 
}
3 MCF51QE128解包modbus RTU的程序
 void interrupt VectorNumber_ Vsci1rx SCI_RX_ISR(void)//字節接收程序
 {
  if(SCI1S1_PF==1)communication_error=1;//字節校驗錯誤置通信失敗標志位
  *(pointer_RX1)=SCI1D;//將數據放入緩沖隊列
  pointer_RX1++;//隊列指針后移
  len_RX1++;//收到字節長度加1
  timer3_reset();//定時器復位
  timer3_init();//定時器重啟動
 }
 void interrupt VectorNumber_Vtpm3ovf Timer3_ISR(void)//判斷命令包接收結束
 {
  timer3_cnt++;//定時器中斷次數加1
  if(timer3_cnt==2)
   {   
timer3_reset();//定時器復位
pointer_RX1=Buffer_RX1;//隊列指針初始化
  full_RX1=1;//收完置標志位
   }
 }
4 CRC查表產生函數
由于篇幅有限，此處不再詳述，表具體內容可參照相關參考文獻。

總結
筆者的設計基于MCF51QE128控制核心來實現Modbus協議，已經成功進行了實際應用，通信可靠，而且實現起來比較容易。該設計為采用MCF51QE128微控制器進行工業產品設計通信的應用提供了參考方案。