基于Modbus协议的RS485总线通讯机设计原理及应用

　　摘要：该文详细论述了基于Modbus协议的RS485总线通讯机设计原理及应用。物理结构上包括上位机、主站、和多个从站节点。在上位机与各从站节点间增加主站，承担上位机的轮询工作，使上位机从繁忙的通信工作中解放出来，并能够提高系统独立性，加快系统从故障中恢复的速度。软件方面基于Modbus协议，并且添加CRC校验，从而有效地提高了系统的可靠性、安全性。本设计已成功应用于某监狱门禁控制系统。

　　现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网。在总线种类多样化的今天，Modbus技术以其先进性、开放性、成熟性使得基于Modbus串行链路通信的设备得到了广泛的使用，Modbus通信有3种方式：串行链路、TCP/IP和ModbusPLUS。本文的研究对象是基于串行链路主从式通信结构的设备。在这种总线网络中，系统间的通信一般采取上位机轮询各节点的方式，即上位机对各节点不间断地进行轮询，当轮询到某节点时，上位机与此节点在一定时间间隔内互相交换信息。但是当节点数目众多时，出于系统响应及时性的要求，上位机对各节点轮询的时间间隔需要尽可能短，而这样，轮询工作将会给上位机造成沉重的负担，占用其较多的CPU资源，使得上位机不能专注于完成数据处理，同时导致系统的可靠性与安全性降低。

　　基于此原因，本文提出一种针对串行链路的新方法，在上位机与各节点之间增加一个通讯机（为不至于和各节点混淆，本文称其为主站），并给出了基于此主站的上位PC机与各节点（该系统称各节点为从站）的通信流程以及此主站的主程序流程。

　　系统硬件环境主要包括以下几个模块：上位机、主站、从站。对于串行链路的Modbus系统，其物理接口可以选用RS232或RS485。最常用的接口是RS485两线制接口。本系统中的上位机采用PC机，其物理接口为RS232接口，而主站的物理接口为RS485接口。所以PC机不能直接连接RS485接口，必须在主站与PC机间进行RS232与RS485转换。通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号。

　　图1硬件框图

　　综上所述，主站和从站硬件的总体设计如图1所示，主站与上位机的通信采用RS232的方式，主站与各节点间的通信采用RS485的方式。从站把来不及传到PC机的数据暂时放到FLASN存储区中。从站和FLASH存储器间通过SPI通讯。

　　Modbus串行链路协议是一个主站－从站协议，Modbus应用层报文传输协议提供了总线或网络上连接的设备之间的客户机/服务器通信。在Modbus串行链路上，主节点提供客户机的功能，而子节点则作为服务器。由于Modbus协议具有帧格式结构、传输方式、功能及内容简单、传输效率高等优点，近年来在控制系统中得到了广泛的应用。本论文所涉及的Modbus协议，是在采用串行链路的RTU模式标准协议的基础上，结合实际应用，扩展了其帧格式结构和范围。

　　主机传输的命令报文如下：

　　ADOD0D1…DXCRC1CRC2

　　说明：

　　ADO：目标地址，即站点地址（或称网络设备地址）。

　　D0－DX：报文内容，X最大为255，（不含CRC1，CRC2）

　　CRC1，CRC2：CRC校验结果。Modbus－RTU协议采用CRC－16（16位循环冗余校验码）校验方法，包含16位二进制。CRC校验码由发送端计算，放置于发送信息的尾部。接收端重新计算接收到的信息的校验码，并与接收到的校验码相比较，如果二者不相符，则表明通讯出错。