嵌入式系统中MODBUS通信的教学研究与实践

王雪

摘   要：文章针对MODBUS通信协议进行了实践和教学研究。首先，指出了MODBUS协议的重要性以及地位作用;其次，分析了MODBUS帧的结构和通信原理，再利用一个通信项目分析了MODBUS通信的详细过程和开发代码;最后，指出MODBUS通信过程中需要注意的问题，并进行了总结，这对于MODBUS项目的研究与开发有重要的参考价值。

关键词：MODBUS通信协议;STC单片机;485通信;工业物联网

1    网络通信概述

随着计算机通信技术的发展，越来越多的计算机系统连接到网络当中，网络通信成为当前信息科学最为热点的问题之一，尤其在工业控制与物联网领域，如何安全、快速、便捷地传送数据，成为衡量工业发展水平的重要标志之一。与传统PC机相比，工业领域的信息通信的特点[1]在于：通信主机结构类型不尽相同;通信环境有可能会受到辐射干扰;通信设备成本限制;通信组网信息安全;网络拓扑结构各异。在这种背景下，选择什么样的通信方式和通信协议，就显得异常关键。

2    MODBUS通信协议

MODBUS[2]是由施耐德电气（现在的Modicon公司）于1979年为PLC之间的通信而研发的一种串行通信协议，它为连接至不同类型总线或网络的设备之间提供了C/S通信，目前已经成为工业领域通信协议的业界标准。自1979年以来，使成千上万的自动化设备能够通信，很好地解决工业领域面临的通信难题，成为目前主流的工业物联网通信协议。

MODBUS协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。特定总线或网络上的 MODBUS协议映射能够在应用数据单元（Application Data Unit，ADU）上引入一些附加域。启动MODBUS事务处理的客户机创建MODBUS应用数据单元。功能码向服务器指示将执行哪种操作。MODBUS协议建立了客户机启动的请求格式。MODBUS事务处理流程如图1所示。

3    MODBUS通信实践与教学

3.1  总体结构

采用单片机与PC上位机的串口通信方式，并采用RS485总线进行信号传输，以保证信号的总体质量。单片机一端作为服务器端，不主动发送数据，只是等待应答客户端请求的数据。PC机作为客户端，负责启动请求与接收响应。

与RS232相比，采用RS485总线的好处在于：（1）传输方式不同。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。而RS485则采用平衡传输，即差分传输方式。在稳定性和抗干扰性方面都有明显优势。（2）传输距离不同。RS-232适合本地设备之间的通信，传输距离一般不超过20 m。而RS-485的传输距离为几十米到上千米。（3）主机数量不同。RS-232只允許一对一通信，而RS-485接口在总线上是允许连接收发器多达128个。

3.2  MODBUS软件设计

MODBUS公共功能码是MODBUS协议通用的功能码，这个功能码是预先被定义好的，并且需要保证是唯一的、公开证明的。对应于每个操作访问，相关程序代码如下：

void readCoil（void）; //读线圈

void readRegisters（void）; //读寄存器

void forceSingleCoil（void）; //强制单个线圈

void presetSingleRegister（void）; //设置单个寄存器

void presetMultipleRegisters（void）; //设置多个寄存器

void forceMultipleCoils（void）; //强制多个线圈

3.3  MODBUS通信从机软件设计

MOBUS通信的主要过程包括：（1）进行系统初始化设置，主要包括定时器初始化，串口初始化，中断服务函数的编写和变量定义。（2）定时处理，不是指定时器与计数器的初始化，而是指判断一个完整的MODBUS帧是否结束的时间。关于区分两个帧的间隔时间，有许多衡量方法，一般采用延时几十微秒的方法。（3）循环监听MODBUS状态，一旦收到完整的数据帧，便开始处理，利用前面讲到的MODBUS库函数进行处理。在完成读写任务后，按照MODBUS帧规则，应答数据通过MODBUS总线传回客户端。部分初始化代码如下。

//串口初始化代码

void UartInit （ULONG baud， UCHAR mode）

{ IE=0x90;

TMOD = （TMOD & 0X0F） | 0X20;

TH1 = -22118400L/12/32/9600;

TL1 = -22118400L/12/32/9600;

TR1 = 1;

SCON = 0X50;

PCON |= 0X80; }

//串口中断服务函数代码

void commIntProc（void） interrupt 4

{ if （！RI） return;

RI = 0;

receTimeOut = 20;

receBuf[receCount] = SBUF;

receCount ++;

receCount &= 0x0f; }

4    开发过程需要注意的问题

4.1  单片机型号的选择

单片机最常用的主要包括89C51和89C52系列，许多型号的单片机均可采用这種型号的工程。然而，单片机开发时最好要用自己的工程型号以及头文件。如本例用到的STC15系列单片机，需要在建立工程时便选定型号，并且加入其特有的头文件：#include “stc15.h”。这样，才能保证工程能够编译通过并正确下载到芯片中。

4.2  波特率的控制

在传输过程中，客户机与服务器的波特率设置必须完全一致，否则将接收不到正确的数据。受到传输距离和单片机性能的约束，在速度选择上要适中，具体情况要通过实验得以验证，一般不宜过高或过低。

4.3  传输距离

MODBUS通信物理层多采用的是串行通信，在通信过程中不同类型的串行通信差别很大，如RS232和RS485在通信原理和通信性能上都存在很大差异，在开发过程中，应该根据需要合理选择，避免造成信号不稳定。

4.4  CRC校验码

循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）可以有效地检测到传输问题导致的数据错误，它的原理是利用CRC算法将数据帧转换成一个CRC检验码，接收方在接收到数据以后，再重新计算校验码并与发送时的检验码相比对，以检验数据的准确性。在实践过程中，CRC校验码的生成和检测一般直接利用库函数完成，不是MODBUS研究的重点，在开发和教学过程中应当注意区分。

4.5  节点数量

有的项目可能需要几百甚至上千个节点进行485通信，从理论上讲，无论是MODBUS还是485总线都是有数量限制的，MODBUS的数量最多240个。485总线根据芯片的不同，差异也很大，在几十到几百之间。同时，还受到线路长度的影响。如果想让更多的设备连接在一起，需要采用中继器或者多串口服务器一类的设备进行网络拓扑。

5    结语

通过对MODBUS的系统研究与实验论证，证明MODBUS协议在单片机平台上，利用RS485通信是十分可靠并可以实现的，可以应用到嵌入式系统等相关课程的教学当中。通过合理的组织教学，让学生能够熟悉并掌握工业现场的应用技术，更接近市场的人才需求，内容适合物联网相关专业的学生学习。同时，还要注意讲授内容的取舍，把重点放在MODBUS协议本身，以免使学生产生畏难心理。