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一、ModBus協(xié)議簡介
ModBus協(xié)議包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口， RS-232C規(guī)定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗(yàn)等信息，ModBus的ASCII, RTU協(xié)議則在此基礎(chǔ)上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式。ModBus控制器的數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave方式（主/從），即Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。
ModBus可以應(yīng)用在支持ModBus協(xié)議的PLC和PLC之間、PLC和個人計算機(jī)之間、計算機(jī)和計算機(jī)之間、遠(yuǎn)程PLC和計算機(jī)之間以及遠(yuǎn)程計算機(jī)之間（通過Modem連接），可見ModBus的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。由于ModBus是一個事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多廠家的PLC, HMI、組態(tài)軟件都支持ModBus，而且ModBus是一個開放標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議內(nèi)容可以免費(fèi)獲得，一些小型廠商甚至個人都可根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出支持ModBus的產(chǎn)品或軟件，從而使其產(chǎn)品聯(lián)入到ModBus的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。因此，ModBus有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯(lián)網(wǎng)。所以，ModBus的傳輸介質(zhì)種類較多，可以根據(jù)傳輸距離來選擇。
二、ModBus協(xié)議的通訊格式
ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用何種模式由用戶自行選擇，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等）。在配置每個控制器的時候，同一個ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。
2.1 ASCII模式
當(dāng)控制器設(shè)為在ModBus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯誤。
使用ASCII模式，消息以冒號（：）字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車換行符（ASCII碼0DH, 0AH）作為結(jié)束符。傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測“：”字符，當(dāng)有一個冒號接收到時，每個設(shè)備就解碼下個位的地址域，來判斷是否發(fā)給自己的。與地址域一致的設(shè)備繼續(xù)接受其它域，直至接受到回車換行符。除起始位和結(jié)束符外，其他域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0…9，A…F，當(dāng)然也要用ASCII碼表示字符。當(dāng)選用ASCII模式時，消息幀使用LRC（縱向冗長檢測）進(jìn)行錯誤檢測。
2.2RTU模式
當(dāng)控制器設(shè)為RTU模式時，消息幀中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。
該模式下消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋�域（地址域）接收到，相應(yīng)的設(shè)備就對接下來的傳輸字符進(jìn)行解碼，一旦有至少3. 5個字符時間的停頓就表示該消息的結(jié)束。
在RTU模式中整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3. 5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發(fā)生的話，必然會導(dǎo)致CRC校驗(yàn)產(chǎn)生一個錯誤消息，反饋給發(fā)送方設(shè)備。
當(dāng)控制器設(shè)為RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信時，消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。這種模式與ASCII模式相比在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。
三、系統(tǒng)設(shè)計
本文所設(shè)計的系統(tǒng)是一個基于modbus的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，它主要由實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制功能的智能控制儀表、實(shí)現(xiàn)對智能控制儀表在線配置與監(jiān)控功能的主機(jī)兩部分組成。作為從機(jī)的現(xiàn)場智能控制儀表主要任務(wù)有：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度采集、輸出控制、顯示、系統(tǒng)配置以及響應(yīng)主機(jī)激勵;主機(jī)的主要任務(wù)是在線配置從機(jī)、監(jiān)控從機(jī)從而得到相應(yīng)從機(jī)的狀態(tài)、歷史溫度數(shù)據(jù)分析;兩者之間的通訊是基于現(xiàn)場總線技術(shù)的。
3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)主要由通訊電路（輸入）、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、LCD顯示、通信及電源模塊等組成。如圖1所示，系統(tǒng)具有對外界溫度信號進(jìn)行采集的能力，采集的模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，送入微處理器進(jìn)行處理。采集到的每一路溫度都要與系統(tǒng)此路的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)結(jié)果調(diào)用合適的控制算法，并通過控制相應(yīng)的繼電器的占空比實(shí)現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。
考慮到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，在硬件設(shè)計方面，微控制器選用了臺灣Syncmos公司生產(chǎn)的8位微控制器SM5964, 它是80C52 微控制器家族的派生產(chǎn)品，其強(qiáng)大的片內(nèi)資源，只需添加少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測量利用Pt（100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用凌特公司（Linear Technology）推出的20位無延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進(jìn)行處理，并能夠滿足精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關(guān)的器件。
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