ModbusASCII协议仿真在实验教学中的应用

刘心红 郭福田

摘  要：在工业测控相关的教学实践课程中，常常涉及上位机与智能仪器设备通信问题，而智能仪器仪表广泛采用Modbus通信协议。鉴于工业用Modbus协议的设备价格昂贵，实验过程复杂，本文开发了用于实验的ModbusASCII仿真器，实现了ModbusASCII通信协议。

关键词：通信协议;上位机;ModbusASCII;仿真

中图分类号：TP2     文献标识码：B

引言

在工业测控相关的教学实践课程中，常常购买大量昂贵的工业测控智能仪器、仪表和实验台，硬件设备维护工作量巨大。工业测控课程主要是通过计算机或PLC等上位机对测控仪器仪表（下位机）发送控制命令并从其采集数据实现测量与控制，主要涉及双方的通信问题。由于智能仪器仪表都是用在工业控制系统中的，其功能强、可靠性高，价格昂贵，用于教学操作复杂，也过于奢侈浪费。为了降低测控实验教学成本，本文开发了一个ModbusASCII仿真器，可构成虚拟的测控系统，用于学习编写、运行及调试计算机测控程序，进行测控实验。这样，充分利用学校的计算机资源，减少了智能仪器仪表的费用和维护工作量，同时也可为学生提供了形象直观的实验过程。

1  ModbusASCII通信协议

Modbus协议已经成为工业领域通信协议的业界标准，是智能仪器仪表之间常用的通信方式。Modbus协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，有ASCII、RTU和TCP三种通信格式，其标准性和多样性非常适合作为测控软件的教学内容。其中ModbusASCII通信数据格式比较简单，使用ASCII即字符串格式，字符传输间隔要求不高，小于1秒就行，数据串可读性强，易于实现。本文在分析了ModbusASCII通信格式的基礎上实现了相应的软件仿真器。

Modbus 通信协议通常用于RS-485工业总线上，采用一主多从的通信方式，由于从机多，需要为每一个从机分配一个地址，主从之间采用异步传输方式，1位起始位，8位数据位，可不用奇偶校验位，可采用1位停止位。

本文以ModbusASCII的2个常用功能03和06进行说明。03功能为读取一个或多个寄存器的数据;06功能把1个16位的数据写入某一寄存器。主机通过03和06号功能对从机的寄存器操作来读写其中任意存储器中的数据，实现主从机的远程测控。

以ModbusASCII的03功能为例（其它功能类似），其通信格式如下“：AA 03 XX XX YY YY LRC CR LF”，通信数据字符串可分为由2个16进制数构成的1个字节形式的2个字符对，连在一起构成命令或响应数据串。这里，“：”为数据串的起始位，AA（01到FF之间）为从机地址，03即功能码，XXXX为起始寄存器号，YYYY为读取寄存器数量，LRC为纵向校验码，由前面的2位数对求和取补得到，以检测数据串传输是否有误。CRLF为回车和换行符号，表示数据串结束。

2  ModbusASCII仿真器设计

ModbusASCII下位机仿真仿真器的设计思想是程序运行后处于字符串接收状态，当从串行口收到命令串后，在接收事件中处理，根据命令要求，将需要的寄存器值构成应答串。

为了在VB中实现串行通信^[1]，仿真器设计中采用了微软的MSCOMM控件，其属性设置为：CommPort=3，即仿真器连接在串口3上;Rthreshold=1，即事件接收方式;InputMode=0为字符串收发方式，对应ModbusASCII的数据串格式;Settings=”9600，n，8，1”，即通信波特率为9600，无校验，8位数据位，1个停止位。

Modbus协议是针对线圈和寄存器操作的，在仿真器程序中设计了10个16位寄存器，用户可通过键盘输入或显示主机发来的4位16进制数。主机可通过ModbusASCII命令串读取或改写这些寄存器中的值。仿真器运行时，处于等待被查询状态，随时接收上位机发来的命令串。在接收事件中对收到的命令串进行分析。首先检查地址，确定是否接收命令串;然后再对数据串进行纵向冗余校验，无错则进一步查看是被读命令还是写命令;如果是被读则发送需要的寄存器值，如果被写则按设定值改写相应寄存器的值。

3  仿真实验测试

为了在一台计算机上进行测试，首先建立实验测试环境，测试环境搭建需要3个软件，一个是本文设计的仿真器;一个是测控工程中常用的Modbus Poll测试软件;一个是模拟主从设备通过串口连接的虚拟串口软件^[2]。

如下图所示，测试软件用03功能读取仿真器的10个寄存器数据，也可以通过双击测试软件中的数据改写仿真器端对应寄存器中的值。可以看到主从双方数据传输一致，仿真器测试成功。

测试成功后就可以将仿真器作为PLC、变频器或各种智能仪器仪表使用。上位机测控软件可以采用VB、VC或VC#等编程软件设计，方便地通过字符串命令读写仿真器中寄存器数据，实现工业测控上位机监控系统。

4  结束语

本文分析了ModbusASCII通信协议，开发了相应的实验教学用的仿真器，可代替ModbusASCII通信协议的工业智能仪器仪表，该仿真器已经用于工控软件设计等实验教学中，替代了工业测控教学中一大类字符串通信的实验设备。仿真器的使用提高了实验效率，并节约了大量的经费，同时去除了硬件设备的维护工作量。用仿真器的实验教学方法在测控课程学习方面具有一定的推广意义。

参考文献

[1]  曾丽丽，刘心红，赵忖，张昕编著. VB通信编程技术[M]. 北京：中国石化出版社. 2014.106-128

[2]  刘心红，郭福田，开关控制器仿真设计及其在教学中的应用[J].北京：知识-力量：2019，8（23），80-81

作者简介：刘心红（1966-），女（汉族），黑龙江大庆市人，工学学士，副教授，教师。现从事计算机软件应用方面的教学与研究工作。

基金项目：秦皇岛市科学技术研究与发展计划课题：Modbus通信协议仿真及其在教学中的应用（201902A006）