基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统设计

南京西尔特电子有限公司　傅启国



基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统设计

南京西尔特电子有限公司傅启国

对Modbus通信协议进行了较深入研究，在此基础上设计了基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统，实现PC机和数据采集终端之间的互联通信，进而实现了对电力系统数据的集中管理和实时监测，该系统具有简单、经济、兼容性好等优点。

Modbus通信协议；数据采集系统；电力系统

0　引言

随着智能电网的不断发展，在电力系统中除了要对电能进行精确计量，还需要实现电力系统电能质量和运行状态的实时监测，而这都依赖于对电力系统的电压、电流、有功功率、功率因数等相关参数的实时和准确采集。

现场总线技术是20世纪80年代末90年代初发展起来的自动化领域的现场设备互联网络通信技术，通过现场总线把各电力数据采集终端的数据传输给中央控制计算机，实现集中分析、实时监测，为电力系统的可靠运行和智能电网的持续发展提供数据支持［1］。

在各种应用较成熟的现场总线中，Modbus通信协议因其简单、实用、投资小和兼容性好等特点而在电力系统通信领域得到了广泛应用，下面对其介绍。

1　Modbus通信协议

Modbus通信协议最初由Modicon公司开发出来，现在是工业领域最成熟的应用层协议之一［2］，具有开放、透明、侦错能力强、实时性好等优点。协议规定总线上只能有一个主设备，可以有多个从设备，并采用主从结构的通信方式。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息给主设备，如果以广播方式查询，则任何从设备不作回应。

1.1传输模式

在Modbus网络上进行通信，其数据传输模式有两种：ASCII模式或RTU模式。用户使用时需设置为其中的一种模式。

（1）ASCII模式

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以ASCII模式进行通信时，消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送，错误检测方法采用纵向冗余检测（LRC）。消息中每个字符由1个起始位、7个数据位、0或1个奇偶校验位和1或2个停止位组成。该模式的优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

（2）RTU模式

地址　功能代码数据数量　数据1　…　数据n　CRC高字节CRC低字节

以RTU模式进行通信时，消息中的每个字节包含两个十六进制字符，错误检测方法采用循环冗余检测（CRC）。消息中每个字符由1个起始位、8个数据位、0或1个奇偶校验位和1或2个停止位组成。RTU模式在同样的波特率下，可以比ASCII方式传输更多的数据。

本采集系统采用传输效率较高的RTU模式进行通信，下面简要介绍Modbus RTU的消息帧格式。

1.2Modbus RTU消息帧

表1给出了一个Modbus RTU消息帧格式。

表1　RTU消息帧格式

可以看到，RTU消息帧包括地址域、功能域、数据域和CRC域四部分。

（1）地址域

地址域是消息帧第一个字节，范围为十进制的0～247，其中地址0用作广播地址，表示消息发送给所有从设备；1～247则可设置为某一从设备地址，所以最多支持247个从设备。主设备在对某一从设备发送消息时，需要将该从设备的地址放入地址域中，从设备返回消息时，把自身的设备地址也放入回应消息的地址域中，这样主设备就知道消息来源于哪个从设备。

（2）功能域

功能域在地址域之后，范围一般为十进制的1～127，具体包含了从设备需要执行哪些任务，采集哪些数据的信息。Modbus协议应用于电力系统时，需采集的数据类型主要有：可读写模拟量，如保护整定值等；只读模拟量，如电压、电流、频率等电力参数。

（3）数据域

数据域紧接着功能域。从设备执行由功能码所定义的任务，组织相应数据，具体信息包括起始寄存器地址、要处理项的数目、实际数据字节数等。

（4）CRC域

排在结尾的CRC域是两个字节，它由主设备计算，置于发送消息帧的末尾，从设备接收信息帧后，再次计算CRC，比较计算得到的CRC与接收到的是否相同，如果一致，则表明传输正确；否则，则表明传输出错。

2　基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统

基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统如图1所示，系统的主站采用PC机，从站为各数据采集终端，总线协议为Modbus通信协议，传输模式为Modbus RTU模式。通过Modbus总线实现了PC机与各数据采集终端的互联通信。

图1　基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统

作为主设备的PC机可以采集并记录各项参数，可对各相电压或电流绘制实时曲线，并对配电线路中的各设备状态进行实时记录等。具体来说，基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统可以采集的数据主要有：

●三相电流Ia、Ib和Ic，三相电压Ua、Ub和Uc和电网频率；

●电能、有功功率、无功功率和功率因数；

●线路上各采集终端的地址、历史记录数据等。

3　数据采集系统软件设计与开发

采集系统软件包括从站（数据采集终端）和主站（PC机）两部分组成。主站软件是基于PC的Windows平台，采用Visual C++语言设计。从站软件采用C语言设计。

3.1数据采集系统主站软件设计

利用高级语言Visual C++可方便地开发主站管理平台。

MSComm控件是Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它提供了一种通过串行接口收发数据的简便方法［3］。该控件提供两种通信处理方式：事件驱动方式和查询方式。考虑到事件驱动方式具有程序响应及时和可靠性高等优点，本次设计MSComm控件采用事件驱动的工作方式。

采集系统中，作为主站的PC机是主设备，由它触发通信事件，从站的采集终端是从设备，它根据主站发出的命令采集相应的数据。本设计中主站PC机的通信程序的流程如图2所示。

图2　主站通信流程图

图3 中断子程序

主站进行控件属性初始化后，先查询链路状态，在确定链路状态正常后，等待按钮事件或定时事件的发生。当有按钮事件或定时事件触发时，从站进入通信接收中断子程序进行任务处理，否则，继续完成从站的其他功能。从站获取电压、电流等数据是通过主站设置定时自动通信功能，在一定的时间间隔内从从站采集而实现的。

3.2数据采集系统从站软件设计

当主站PC机发送消息到从站采集终端时将在从站采集终端触发接收中断，消息帧接收完成后便退出中断子程序，然后从站根据功能域的信息执行具体的采集任务，最后再把响应消息发送给主站。所以从站通信程序分为发送子程序、协议处理子程序和接收中断子程序。

（1）中断子程序设计

中断子程序的功能是接收数据。一个Modbus RTU消息帧包含多个字节，接收子程序一次只接收一个字节，当接收完一帧完整的数据时，才将相关变量都清零，并通知协议处理子程序处理消息帧。接收子程序流程如图3所示。

（2）协议处理子程序设计

协议处理子程序的功能是处理Modbus RTU消息帧。当接收到一帧完整的数据时，首先进行CRC校验，如果校验错误则丢弃该帧数据。在校验正确时，再判断地址是否与本从站相符，如果不符也要丢弃该帧数据。接着再根据功能码的定义调用相应的功能码处理函数，处理完成后组织应答帧，并发送调用发送子程序的信号，其程序流程如图4所示。

（3）发送子程序设计

在数据发送前，从站采集终端处于发送状态，数据写入发送缓存后，每次发送一个字节，当发送缓存为空时，表示发送完毕。而在数据发送完成后，还要使从站采集终端处于接收状态，等待主站的命令。其程序流程如图5所示。

4　结束语

Modbus通信协议由于其开放、简单、实用、兼容性好而被广泛应用。本文对ModBus协议进行了较深入的研究，在此基础上设计了基于Modbus RTU协议的电力数据采集系统，并对从站和主站的软件设计进行了较详细的讨论。该系统具有适用性强、简单、经济、易于维护等优点。

［1］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京:清华大学出版社，1999.

［2］顾海勤，杨奕，全毅，马跃.基于MODBUS协议的智能仪表与PC机双向通讯设计［J］.仪表技术与传感器，2013（12）: 33-35.

［3］龚建伟，熊光明. 串口通信编程实践［M］.北京:电子工业出版社，2004.

傅启国，男，控制理论与控制工程专业硕士研究生毕业，研究方向：电力自动化、嵌入式开发。