摘要：針對變頻器通信應用,，介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成,；設計了RS485電路接口；并以ARMCortex-M3微控制器為核心,，設計了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)方案,。針對變頻器F2000-G開發(fā)了嵌入式系統(tǒng).實現(xiàn)變頻調速功能，應用于無損檢測試驗儀,。

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術,，其具有檢測速度快、靈敏度高,、無需耦合劑,、易于實現(xiàn)自動化等特點，是鋼軌探傷技術的重點研究方向,。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題,，研制了基于嵌入式系統(tǒng)的無損探傷試驗儀,，通過實現(xiàn)MODBUS協(xié)議與變頻器通信，以此驅動交流電機與機械試驗裝置,，完成運動控制并進行無損探傷試驗,。

針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題，依據(jù)MODBUS協(xié)議規(guī)定,，利用RealView MDK開發(fā)了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件,，實現(xiàn)了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調速的運動控制功能,。

1 MODBUS協(xié)議

1.1 MODBOS協(xié)議簡介

MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協(xié)議商標,，該協(xié)議具有糾錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大,、實時性好等特點,，是工業(yè)自動控制領域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業(yè)自動化領域的一種國家標準,。

MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能識別的消息結構,，它描述了控制器請求訪問和應答回應其他設備的過程，以及錯誤檢測和記錄的規(guī)范,，制定了報文字段和內容的公共格式,。MODBUS屬于應用層報文傳輸協(xié)議，其通信結構為一對多的主從查詢模式,，即主從Master-Slave模式,。MODBUS網(wǎng)絡上可以有多個從節(jié)點，但有且只能有一個主節(jié)點,，主節(jié)點按照通信協(xié)議對從節(jié)點發(fā)出請求操作,，從設備收到主節(jié)點的請求后，做出相應的響應再向主節(jié)點回復應答消息,。

1.2 MODBOS協(xié)議組成

MODBUS協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式,。ASCII模式中數(shù)據(jù)以ASCH字符碼表示，通過冒號,、回車字符判定數(shù)據(jù)幀的起始和結束,，采用IRC數(shù)據(jù)檢驗；RTU模式中數(shù)據(jù)以非壓縮BCD碼表示,，通過時間標記實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀起始判定,，采用CRC數(shù)據(jù)校驗，具有數(shù)據(jù)吞吐量高,、傳輸穩(wěn)定,、通信效率高的優(yōu)點。

由于變頻調速系統(tǒng)的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高,、時間管理嚴格的RTU傳輸模式,。在協(xié)議幀組成上，MODBUS定義了一個基本的,，與通信層無關數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU(Protocol Data Unit),，并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit),，形成完整的數(shù)據(jù)幀,，MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成如表1所示。

在數(shù)據(jù)幀起始判定上,，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標記方法,，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發(fā)送3.5個字符的時間，該時間稱為T3.5,。

在MODBUS數(shù)據(jù)幀中,，功能碼是指主節(jié)點對從節(jié)點的請求操作類型，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示,。

MODBUS RTU采用循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼，編碼簡單且誤判概率很低,，在串行通信,、以太網(wǎng)、MPEG解碼等通信領域中得到了廣泛應用,。在通信過程中,，發(fā)送方用待發(fā)送數(shù)據(jù)除以一個收發(fā)雙方約定的生成多項式，將得到余數(shù)作為CRC校驗多項式,，附加在待發(fā)送數(shù)據(jù)尾部作為一個整體發(fā)送給接收方,。接收方將收到的數(shù)據(jù)同樣除以生成多項式，若余數(shù)為零剛傳輸正常,，若余數(shù)不為零則傳輸出錯,。

2 電路連接及硬件參數(shù)

在無損探傷試驗儀中，選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心,，而變頻器采用了煙臺惠豐公司的F2000-G矢量變頻酪,。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000-G相連，按照MODBUS協(xié)議與之通信,，實現(xiàn)變頻調速的控制功能,。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx,、Uart3Tx連接到MAX3485的RO,、DI以進行RS232的數(shù)據(jù)收發(fā)；STM32F103ZET6的GPI01以I /O模式與MAX3485的接收使能端RE、發(fā)送使能端DE相連,，對RS485半雙工總線的通信方向進行統(tǒng)一控制,；而MAX3485的差分信號端A、B則通過插座與F2000-G相連,，同時為保證通信質量,，消除總線上的信號反射，需在RS485網(wǎng)絡終端的差分總線間串聯(lián)50Ω的電阻R1,。

在外設初始過程中,，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求,，采用的通信參數(shù)為：波特率9600kb·s-1,，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位,，無奇偶校驗,；其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式,，以此控制RS485的通信方向,；再次，由于MODBUS RTU采用時間標記的方式進行協(xié)議幀的起始判定,，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結束,，而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個字符發(fā)送時間，因此設置TIM2的溢出時間為3ms,；最后,，為處理可能的總線延遲等通信故障，本文使用了系統(tǒng)定時器SysTick作超時判定,，綜合考慮到變頻器動作時間,、通信延遲等因素，超時判定的時間閾值取200ms,。

3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)

在變頻調速系統(tǒng)中,，STM32F103ZET6作為主節(jié)點負責變頻調速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點負責響應主節(jié)點的請求,，完成對交流電機的運動控制,。因此本文中變頻調速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點程序實現(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，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協(xié)議幀才能成功進行發(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,。構建PDU之后,，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機的地址，再將CR-C16校驗值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構成完整的應用數(shù)據(jù)單元ADU,。

MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗,，按照循環(huán)冗余檢驗算法，使用標準16位生成多項式,，可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼,。其程序流程可描述如下：

(1)初始化一個16位寄存器，所有位進行置1,。

(2)該16位寄存器與待校驗數(shù)據(jù)串中第1Byte的數(shù)據(jù)進行異或,，結果存回該寄存器。

(3)該16位寄存器右移一位,。

(4)若該寄存器右移移出位為1,，則與校驗多項式0A001H異或，否則重復步驟3,。

(5)重復步驟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)串中下一個數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進行異或結果存回寄存器。

(7)重復步驟3～步驟6,，直到待校驗數(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的最終校驗結果，加至數(shù)據(jù)幀末端,。

因為STM32F103ZET6芯片內USART3無硬件FIFO的特點，所以需要軟件上使用隊列的數(shù)據(jù)結構作為發(fā)送緩沖和接收緩沖,，以此進行串行口的收發(fā)任務,。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,，即隊列的出隊操作；而其接收模式為中斷式,，在USART3每次接收中斷的響應函數(shù)中,，軟件按時間先后順序將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內，即隊列的入隊操作,。

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應答幀的接收,。

由于MODBUS RTU應答幀判定采取了時間標記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進行時間管理。在接收過程中,，USART3每次接收中斷對TM2進行復位操作以避免TIM2的溢出中斷,；而當總線空閑了3.5個字符的發(fā)送時間后，TM2由于缺少USART3的復位,，將產生溢出中斷,，在中斷響應中完成關閉USART3結束數(shù)據(jù)通信和置應答幀接收完成標志位的操作。這種時間標記的程序均在后臺中斷中完成,，主程序只需查詢接收完成標志位即可,。

另一方面，由于從節(jié)點F2000-G可能存在著超時,、無應答等通信故障,，這就需要主節(jié)點STM32F103ZET6進行超時檢測。在STM32F103ZE6中,，SysTick作為系統(tǒng)定時器,，在芯片啟動后就以后臺方式運行，按ms計時并實時更新系統(tǒng)時間,。因此在MODBUS RTU的超時判斷中,，主程序可以利用該時鐘，循環(huán)地查詢當前時刻,，并和發(fā)送完請求幀的起始時刻比較,，若閾值時間200ms內仍然未收到請求幀，則認為通信失敗,，返回應答超時碼,。

3.3 數(shù)據(jù)幀處理

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

4 嵌入式變頻調速系統(tǒng)

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

在實際應用中,，STM32F103ZET6通過HMI接口實現(xiàn)人機交互,，根據(jù)用戶輸入實現(xiàn)對交流電機的變頻調速操作。例如,，欲啟動電機進行無損探傷試驗時,，程序對F2000-G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H，啟動電機正轉運行,。通信記錄如下,，主節(jié)點STM32F103ZET6啟動變頻器發(fā)送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果從節(jié)點F2000-G操作正常則應答：01 06 20 00 00 01 43 CA,。

當STM32F103ZET6正確讀取完應答幀,，并通過校驗后，即可判斷變頻器已成功啟動交流電機,，機械試驗系統(tǒng)開始運行并逐步加速到目標轉速,。

5 結束語

以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網(wǎng)絡,。軟件部分介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成,，分析了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)原理，并結合嵌入式系統(tǒng)的工作特點實現(xiàn)了該協(xié)議的編程,?；贛ODBUS協(xié)議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實現(xiàn)了對機電試驗裝置的變頻調速控制。實踐表明,，該系統(tǒng)性能可靠,、通信穩(wěn)定，滿足了無損探傷試驗儀在轉速為40～1 400r·min-1范圍內變頻調速的控制需求,。