基于ARM Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用 交流电机, 无损检测, 变频器, 控制器, 灵敏度

yuyang911220

摘要：针对变频器通信应用，介绍了MODBUS协议的特点及其组成；设计了RS485电路接口；并以ARMCortex-M3微控制器为核心，设计了MODBUS协议的实现方案。针对变频器F2000-G开发了嵌入式系统.实现变频调速功能，应用于无损检测试验仪。　　漏磁探伤作为非接触式的无损探伤技术，其具有检测速度快、灵敏度高、无需耦合剂、易于实现自动化等特点，是钢轨探伤技术的重点研究方向。为解决漏磁探伤研究中的实验仿真问题，研制了基于嵌入式系统的无损探伤试验仪，通过实现MODBUS协议与变频器通信，以此驱动交流电机与机械试验装置，完成运动控制并进行无损探伤试验。
　　针对无损探伤试验仪中变频器通信问题，依据MODBUS协议规定，利用RealView MDK开发了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式软件，实现了与变频器的MODBUS通信，完成变频调速的运动控制功能。
　　1 MODBUS协议
　　1.1 MODBOS协议简介
　　MODBUS是Gould Ine注册的通讯协议商标，该协议具有纠错能力强、数据传输量大、实时性好等特点，是工业自动控制领域使用较广泛的通讯语言，目前已成为我国工业自动化领域的一种国家标准。
　　MODBUS协议定义了一个控制器能识别的消息结构，它描述了控制器请求访问和应答回应其他设备的过程，以及错误检测和记录的规范，制定了报文字段和内容的公共格式。MODBUS属于应用层报文传输协议，其通信结构为一对多的主从查询模式，即主从Master-Slave模式。MODBUS网络上可以有多个从节点，但有且只能有一个主节点，主节点按照通信协议对从节点发出请求操作，从设备收到主节点的请求后，做出相应的响应再向主节点回复应答消息。
　　1.2 MODBOS协议组成
　　MODBUS协议具有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中数据以ASCH字符码表示，通过冒号、回车字符判定数据帧的起始和结束，采用IRC数据检验；RTU模式中数据以非压缩BCD码表示，通过时间标记实现数据帧起始判定，采用CRC数据校验，具有数据吞吐量高、传输稳定、通信效率高的优点。
　　由于变频调速系统的安全性能要求较高，所以选择通信效率高、时间管理严格的RTU传输模式。在协议帧组成上，MODBUS定义了一个基本的，与通信层无关数据协议单元PDU(Protocol Data Unit)，并通过在PDU上添加地址、校验等附加域定义了应用数据单元ADU(Application Data Unit)，形成完整的数据帧，MODBUS RTU数据帧组成如表1所示。
　　
　　在数据帧起始判定上，MODBUS RTU采用了如图1所示的时间标记方法，即相邻的两帧之间必须间隔至少为总线发送3.5个字符的时间，该时间称为T3.5。
　　
　　在MODBUS数据帧中，功能码是指主节点对从节点的请求操作类型，常用的MODBUS功能码及其功能如表2所示。
　　
　　MODBUS RTU采用循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)是一种被广泛采用的多项式编码，编码简单且误判概率很低，在串行通信、以太网、MPEG解码等通信领域中得到了广泛应用。在通信过程中，发送方用待发送数据除以一个收发双方约定的生成多项式，将得到余数作为CRC校验多项式，附加在待发送数据尾部作为一个整体发送给接收方。接收方将收到的数据同样除以生成多项式，若余数为零刚传输正常，若余数不为零则传输出错。
　　2 电路连接及硬件参数
　　在无损探伤试验仪中，选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103ZET6微控制器作为处理核心，而变频器采用了烟台惠丰公司的F2000-G矢量变频酪。STM32F103ZET6通过基于MAX3485的RS485链路与F2000-G相连，按照MODBUS协议与之通信，实现变频调速的控制功能。RS485接口电路如图2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx连接到MAX3485的RO、DI以进行RS232的数据收发；STM32F103ZET6的GPI01以I /O模式与MAX3485的接收使能端RE、发送使能端DE相连，对RS485半双工总线的通信方向进行统一控制；而MAX3485的差分信号端A、B则通过插座与F2000-G相连，同时为保证通信质量，消除总线上的信号反射，需在RS485网络终端的差分总线间串联50Ω的电阻R1。
　　
　　在外设初始过程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信参数为：波特率9600kb·s-1，8位数据位，2位停止位，无奇偶校验；其次，还需初始化STM32F103ZET6的GPI01为输出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用时间标记的方式进行协议帧的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定时器TIM2用以判定数据帧的结束，而MODBUS RTU中T3.5在工程应用通常取4个字符发送时间，因此设置TIM2的溢出时间为3ms；最后，为处理可能的总线延迟等通信故障，本文使用了系统定时器SysTick作超时判定，综合考虑到变频器动作时间、通信延迟等因素，超时判定的时间阈值取200ms。
　　3 MODBUS协议实现
　　在变频调速系统中，STM32F103ZET6作为主节点负责变频调速系统的功能控制，而变频器F2000-G作为MODBUS从节点负责响应主节点的请求，完成对交流电机的运动控制。因此本文中变频调速系统为基于MODBUS协议的主节点程序实现，MODBUS协议主要分为3部分：数据帧发送，数据帧接收和数据帧处理。
　　3.1 数据帧发送
　　发送数据时，必须将请求操作封装成标准的MODBUS协议帧才能成功进行发送，即MODBUS协议的编码。由前所述，数据协议单元PDU包括功能码和数据码，PDU的封装可以归纳为将操作类型和操作参数作为参数封装成PDU。构建PDU之后，在数据帧头部加入从机的地址，再将CR-C16校验值写入数据帧尾部即构成完整的应用数据单元ADU。
　　MODBUS中使用CRC16作为冗余校验，按照循环冗余检验算法，使用标准16位生成多项式，可对任意长度的信息字段校验出一个16位的校验码。其程序流程可描述如下：
　　(1)初始化一个16位寄存器，所有位进行置1。
　　(2)该16位寄存器与待校验数据串中第1Byte的数据进行异或，结果存回该寄存器。
　　(3)该16位寄存器右移一位。
　　(4)若该寄存器右移移出位为1，则与校验多项式0A001H异或，否则重复步骤3。
　　(5)重复步骤3和步骤4直到该Byte的8位数据均处理完毕。
　　(6)取数据串中下一个数据与该16位数据进行异或结果存回寄存器。
　　(7)重复步骤3～步骤6，直到待校验数据串中所有的字节数据均处理完毕。
　　(8)该16位寄存器中数据即CRC16的最终校验结果，加至数据帧末端。
　　因为STM32F103ZET6芯片内USART3无硬件FIFO的特点，所以需要软件上使用队列的数据结构作为发送缓冲和接收缓冲，以此进行串行口的收发任务。因此，在工作模式上USART3的发送采用查询式发送，一次性将发送缓冲区中的数据依次循环地发送出去，即队列的出队操作；而其接收模式为中断式，在USART3每次接收中断的响应函数中，软件按时间先后顺序将数据写入接收缓冲区内，即队列的入队操作。