基于MODBUS RTU协议的数据采集及控制模拟研究

朱姣

摘 要：通过对Modbus RTU协议的详细分析，基于AT91SAM7X256单片机功能，开发了一种关于抽油机控制器数据采集及模拟的上位机软件。以4～20mA的模拟量作为输入，按照一定规约转换后的工程值存储在AT91SAM7X256单片机的寄存器中，基于C#实现的上位机软件通过Modbus RTU协议进行数据采集，通过组态软件实现控制模拟。

关键词：Modbus RTU协议；数据采集；控制模拟；组态软件

DOIDOI：10.11907/rjdk.151609

中图分类号：TP302

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）009003403

0 引言

Modbus协议已经成为我国工业自动化网络协议规范的国家标准之一，国内许多厂商的产品或系统均支持该协议[1]。Modbus协议是由Modicon公司在1979年开发出来的网络协议，是第一个真正意义上用于工业现场的总线协议，它定义了设备与设备之间的信息传输方式，使控制器之间、控制器和其它设备之间可以进行通信和数据传输 [2]。文献[1]介绍了一种基于MSP430单片机的Modbus协议软件设计方法，只是简单地将通信过程分为4个阶段，未涉及采集到的数据。文献[3]把特定数据从单片机的存储设备里读取出来，作适当处理后存储到数据库中并显示部分数据，而在现场工业控制过程中往往需要的是实时数据，所以数据库的设计显得有些冗余。文献[4]开发设计了一款上位机仿真软件，为数据采集系统调试、检验提供了便捷的手段，但是不能直观仿真显示采集数据的信息。为了使人们更加直观地看到采集的数据，通过对Modbus协议实用案例的分析和研究，本设计进行了完善，并采用组态软件实现了数据的显示，达到了数据采集与控制模拟的目的。

1 系统总体结构

系统体系结构如图1所示。该系统主要包括5大功能区，各功能模块如下：

（1） 模拟量4～20mA：根据CPU以及外围设备正常工作时所需要的供电电压，选取合适的电阻值，从而获得模拟量4～20mA的电流值作为输入。

（2） CPU：中央处理单元，专用于对采集到的数据进行处理的单元模块。本设计中通过I/O口接收输入的模拟量，再通过A/D转化模块将模拟量转为数字量并存储在CPU的Registers中。

（3） Modbus Data：一旦下位机（从站）接收到上位机（主站）下达的正确命令，则从站立刻将CPU所存储的数据进行处理，遵照Modbus RTU协议规范，形成Modbus ADU数据包，通过串口发送出去。

（4） 上位机：基于C#编写实时显示数据软件。接收来自串口传送的数据包，按照Modbus RTU协议对数据包进行解析，获得要显示的数据。

（5） 组态软件：使用Espider 力控6.0组态软件直观显示数据。

图1 系统结构

2 系统设计

2.1 硬件电路设计

2.1.1 单片机电源模块

AT91SAM7X256是基于32位ARM RISC处理器系列微控制器中的一员，集成有256K字节的高速Flash和64K字节的SRAM和全套外围设备。硬件系统采用24V电源作为输入电压，经过两次电路转换（先由24V转为5V，再由5V通过内部电路转为3.3V）后给AT91SAM7X256管脚VDDIN等提供输入标称值为3.3V的电压，AT91SAM7X256工作后通过VDDOUT管脚输出1.8V电压为各个逻辑部件供电。

2.1.2 串口通信模块

系统采用通用的RS232作为串口通信。通过CPU各个管脚PA3、PA4、RXD1、TXD1和VDD3.3与转换芯片连接，达到串口数据收发的目的。

2.2 软件设计

软件设计包含3部分：上位机PC界面设计、组态软件设计以及下位机控制系统设计。

2.2.1 上位机软件设计

上位机软件主要完成本机设置和数据实时显示2个任务。本机设置包括对串口通信的设置：选择串口，设置串口（本系统采用默认的串口属性设置。波特率是9 600，数据位是8，停止位是1，无校验位），打开串口。串口打开成功即进入数据显示界面，打开失败则提示重新选择正确串口。实时显示数据的变化，开机按钮起到上载数据的作用，关机按钮则用于停止上位机与下位机的通信。上位机软件设计流程如图2所示。

图2 上位机软件流程

2.2.2 组态软件设计

在Espider软件中进行组态界面设计。本系统通过串口对变量包括数据库组态和IO设备组态进行设置，选择标准的Modbus RTU协议串行口，并对内存区、偏置和数据格式进行设置，用以在界面上显示相应的实时数据。

2.2.3 下位机控制系统

控制系统完成数据的采集及发送功能。系统上电后进入初始化，一切准备工作就绪后，等待上位机命令，一旦接收到发送来的数据即按命令进行处理，随后将所需数据发送到上位机实时显示。控制系统部分流程如图3所示。

3 MODBUS 通信协议

目前，Modbus通信协议是工业控制领域最为流行的协议，主要分为3种类型：Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP/IP。通信协议栈结构见图4。Modbus协议采用主从工作方式，允许一台主机和多台从机进行通信，从机地址由用户设定。地址范围为1-255，地址0用作广播地址，所有主机把它当作一条命令来执行，从设备不作任何回应[5]。本设计采用Modbus RTU协议，因为RTU模式规定了消息、数据的结构、命令和应答方式。在校验上，RTU模式采用16位CRC校验[6]，CRC校验保证了数据传输的正确性。在Modbus 协议中，一般CRC产生的校验数据位于Modbus ADU的后两个字节，比如在本设计中，主站上位机需要向下位机写入的数据是：0x00 0x00 0x00 0x04，按照图5，先后加入从地址（系统默认为1）、功能码和校验位形成Modbus ADU（0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x04 0x44 0x09），再通过串口发送给下位机，下位机再对接收到的数据包进行解析，从而得知要执行的动作，并将上位机所需的数据（0x01 0x03 0x08 0x00 0x1a 0x00 0x1e 0x00 0x09 0x00 0x1a 0xd7 0xdd）以同样的方式传送给上位机。收到的数据同样包括站号和功能码，该处功能码是3，最后两字节是校验位，0x08表示返回的数据字节数。数据位采用大端模式，0x00 0x1a 0x00 0x1e 0x00 0x09 0x00 0x1a分别表示十进制数26，30，9，26。

图3 控制系统流程

图4 MODBUS通信协议栈

根据标准Modbus协议规范（Modbus 通用数据帧如图5所示），通过串口通信的ADU（Application Data Unit）最大字节长度为256 bytes，所以在通信过程中PDU长度是：256-Server address（1 byte 从地址）-CRC（2 byte CRC校验）=253 bytes。

Server address：从地址。用于标识和上位机通信的下位机模块，具有唯一性。

Function code：功能码。它是Modbus协议最重要的标志，位于所需数据之前，表示上位机给下位机下达的命令。下位机接收到数据包后解析出功能码，按照功能码执行上位机分配的任务，随后返回上位机所需数据（同时返回相同的功能码以便上位机识别）。本设计使用的Modbus协议功能码见表1。

图5 Modbus通用帧

校验位：一般占用2个字节，用于对丢失或者错误数据的检测。

表1 功能码

Function Code[]Description

0x01[]Read Coils

0x02[]Read Discrete Inputs

0x03[]Read Holding Registers

0x04[]Read Input Registers

0x05[]Write Single Coil

4 运行结果

4.1 上位机运行界面

通过本机设置选择需要连接的串口，打开串口后点击开机按钮，通过RS232接口与下位机通信，将采集到的数据上传到上位机并进行实时显示，运行界面如图6所示。

图6 数据采集界面

为了更加直观形象地看到数据的动态显示，通过组态软件设计了组态画面，用于对接收到的数据进行模拟显示，部分运行界面如图7所示。

图7 组态软件数据采集界面

4.2 Modscan 测试验证

为了测试接收的数据是否正确，选择Modscan软件进行验证，用以读取寄存器中的数值。经过对数据的分析和验证表明该系统数据采集的正确性，如图8所示。

（a）采集的数据（30001～30005寄存器）

（b）转换后的工程值（40001～40005寄存器）

图8 测试验证

5 结语

本设计实现了对AT91SAM7X256单片机中存储的4～20mA模拟量转换为工程值后的数据采集，并使用组态软件进行仿真。对运行结果的分析表明，上位机操作便捷、运行良好。系统充分运用了Modbus RTU协议进行数据传输，协议中的CRC校验减少了数据出错，这一点进一步说明了Modbus协议在工业控制领域中的优势。

参考文献参考文献：

[1] 高旭彬.基于MSP430单片机的Modbus协议软件设计方法[J].工矿自动化，2013，39（4）：8790.

[2] 中国国际标准化管理委员会.基于Modbus协议的工业自动化网络规范GB/T19582-2008[J].仪器仪表标准化与计量，2008 （2）：155159.

[3] 姜拓，张剑平.基于C#的数据采集系统上位机软件设计与实现[J].电子测试，2009（9）：5861.

[4] 高旭彬.基于Modbus协议的数据采集系统上位机仿真软件设计[J].电气开关，2013，51（4）：4447.

[5] 许龙虎，张浩，彭道刚，等.基于Modbus的嵌人式数据采集系统设计[J].华东电力，2009，37（2）：311313.

[6] 刘紫燕，冯亮，詹志辉.Modbus协议RTU模式与TCP模式的通信转换设计[J].科学技术与工程，2013，13（18）：51915196.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）