基于RS485接口Modbus协议的PLC与多机通讯

1 引言

在自动控制领域，PLC 和单片机都受到广泛应用。PLC 具有稳定可靠，抗干扰能力强， 功能强大且使用方便等特点[1]，单片机具有成本低廉，使用灵活，功能多样等特点。PLC 与 单片机结合，互相联系，互相通讯，将扩展控制功能，更好的控制复杂的系统。

在研究混合动力电动汽车驱动系统[2]时， 采用PLC 作为主控制器，控制电机变频器和发 动机节气门控制器，实现对电机和发动机功率的 综合控制。因为PLC 和变频器均是艾默生公司 的产品，均支持RS485 接口和MODBUS 协议， 所以控制系统统一采用RS485 接口和MODBUS 协议。而发动机节气门控制器采用89C51 单片 机，所以要通过建立PLC 与单片机的通讯，实 现控制。

图1 通信系统结构框图

2 硬件设计

通讯系统的结构框图如图1 所示。

2.1 信号转换电路

单片机支持 TTL 电平，可以采用MAX485 芯片来实现RS485 与TTL 之间的信号转换 (如图2)。MAX485 芯片采用单一电源+5 V 工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，内部含有一个驱动器和接 收器。RO 和DI 端分别为接收 器的输出和驱动器的输入端， 分别与单片机的RXD 和TXD 相连;RE 和DE 端分别为接收 和发送的使能端，当RE 为逻 辑0 时，器件处于接收状态; 当DE 为逻辑1 时，器件处于 发送状态，因为MAX485 工作 在半双工状态，所以只需用单 片机的一个管脚控制这两个 引脚即可;PLC 里RS485 总线的A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端,当A 引脚的 电平高于B 时，代表发送的数据为1;当A 的电平低于B 端时，代表发送的数据为0。在A 和B 端之间加匹配电阻，一般可选100Ω 左右的电阻。

3 软件设计

控制系统采用单主机/多从机的组网方式，PLC 为主机，电机变频器和单片机为从机。 艾默生公司的PLC 和电机变频器之间已经建立了采用RS485 总线，MODBUS 协议的通讯 [3][4]，为了实现PLC 与单片机的通讯，须先了解PLC 与电机变频器的通讯特点，然后建立 连接通讯。

3.1 PLC 与电机变频器的通讯特点

采用RTU 方式的Modbus 协议，帧格式如图3 所示。 波特率为9600bps，数据格式为1-8-N-2，字符间间隔少于 1.5 个字符时间(1.72ms)，RTU 帧的最大帧长度是256 个 字节。帧之间的空闲时间取命令码设定和Modbus 内部约 定值中的较大值。Modbus 内部约定的最小帧间空闲如下： 帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5 个字符时间 (4ms)来界定帧。帧之间的总线空闲不需要累加起始和 结束空闲。数据采用CRC16 校验，整个信息参与校验， 校验和的高低字节需要交换后发送。

图3 RTU 方式

RS485 是异步半双工的通讯总线。主机处于主导和支 配地位，定时发出监控命令，等待从机的应答。从机处于 侦听状态，不能主动往总线发送数据，在接收到主机发送 的一帧信息后，首先判断地址码是否本机地址，如果此帧 信息的地址码和本机地址相同，则继续处理命令码和数 据，如果此帧信息的地址码和本机地址不同，则忽略。接收完一个主机监控命令后，先进行校验，如果校验正确则执行接收的监控命令，并根据命令 回送相应的应答帧。任何时刻只能有一个从机处于发送状态，但主机发送时所有从机都必须 处于接收状态。

上位机PLC 的通讯流程图如图4 所示。

图4 上位机PLC 的通讯流程图

3.2 PLC 与单片机通讯的实现

表 1 PLC 与单片机通讯的帧字节数

单片机进行通信时工作在“方式一”的状态下[5]。 因为PLC 发出的数据帧第一个字符为地址数据，所 以单片机在接收数据时要区分接收到的数据是否是 帧的第一个字符。根据单片机每接收完一个字节数 据RI 就置1，而且帧间间隔4ms 以上，字符间隔少 于1.72ms， 可以通过计时的方式来判断帧的第一个 字符。当RI 置1，开始计时，到下一次RI 置1，计 时结束，当时间间隔大于4ms，则后一次RI 置1 时 接收的字符是帧的第一个字符，当时间少于1.72ms， 则不是。

为了简化程序，可以协议好PLC 与单片机通讯 的帧字节数为6 个字节，如表1。单片机根据地址字 符数据判断是否是本机地址，如果是，则接收处理 后面的5 个字节数据，计算前四个字节的CRC 校验 码，并与接收到的两个字节CRC 校验，进行核对， 如果不相同，则不反馈数据给PLC，也不执行数据 包含的指令，如果相同，则反馈数据给PLC，执行 数据包含的指令。下位机单片机程序的流程图如图5 所示。

4 结束语

本文作者创新点：在艾默生 PLC 与其变频器的 通讯基础上加入了基于RS485 接口Modbus 协议的 PLC 与单片机的多机通讯，该通讯方案硬件接口简 单，软件和通信协议有很好的通用性，可以拓展为PLC 与多个变频器和单片机的同时通讯， 也可应用于其他工程的多机通讯系统中。该通讯方案已经成功应用于混合动力电动汽车的驱 动电机及发动机节气门的综合控制。