基于RS485接口Modbus協(xié)議的PLC與多機(jī)通訊

1 引言

在自動控制領(lǐng)域，PLC 和單片機(jī)都受到廣泛應(yīng)用。PLC 具有穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)， 功能強(qiáng)大且使用方便等特點[1]，單片機(jī)具有成本低廉，使用靈活，功能多樣等特點。PLC 與 單片機(jī)結(jié)合，互相聯(lián)系，互相通訊，將擴(kuò)展控制功能，更好的控制復(fù)雜的系統(tǒng)。

在研究混合動力電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)[2]時， 采用PLC 作為主控制器，控制電機(jī)變頻器和發(fā) 動機(jī)節(jié)氣門控制器，實現(xiàn)對電機(jī)和發(fā)動機(jī)功率的 綜合控制。因為PLC 和變頻器均是艾默生公司 的產(chǎn)品，均支持RS485 接口和MODBUS 協(xié)議， 所以控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用RS485 接口和MODBUS 協(xié)議。而發(fā)動機(jī)節(jié)氣門控制器采用89C51 單片 機(jī)，所以要通過建立PLC 與單片機(jī)的通訊，實 現(xiàn)控制。

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2.1 信號轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)支持 TTL 電平，可以采用MAX485 芯片來實現(xiàn)RS485 與TTL 之間的信號轉(zhuǎn)換 (如圖2)。MAX485 芯片采用單一電源+5 V 工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接 收器。RO 和DI 端分別為接收 器的輸出和驅(qū)動器的輸入端， 分別與單片機(jī)的RXD 和TXD 相連;RE 和DE 端分別為接收 和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE 為邏 輯0 時，器件處于接收狀態(tài); 當(dāng)DE 為邏輯1 時，器件處于 發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485 工作 在半雙工狀態(tài)，所以只需用單 片機(jī)的一個管腳控制這兩個 引腳即可;PLC 里RS485 總線的A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A 引腳的 電平高于B 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A 的電平低于B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在A 和B 端之間加匹配電阻，一般可選100Ω 左右的電阻。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用單主機(jī)/多從機(jī)的組網(wǎng)方式，PLC 為主機(jī)，電機(jī)變頻器和單片機(jī)為從機(jī)。 艾默生公司的PLC 和電機(jī)變頻器之間已經(jīng)建立了采用RS485 總線，MODBUS 協(xié)議的通訊 [3][4]，為了實現(xiàn)PLC 與單片機(jī)的通訊，須先了解PLC 與電機(jī)變頻器的通訊特點，然后建立 連接通訊。

3.1 PLC 與電機(jī)變頻器的通訊特點

采用RTU 方式的Modbus 協(xié)議，幀格式如圖3 所示。 波特率為9600bps，數(shù)據(jù)格式為1-8-N-2，字符間間隔少于 1.5 個字符時間(1.72ms)，RTU 幀的最大幀長度是256 個 字節(jié)。幀之間的空閑時間取命令碼設(shè)定和Modbus 內(nèi)部約 定值中的較大值。Modbus 內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下： 幀頭和幀尾通過總線空閑時間不小于3.5 個字符時間 (4ms)來界定幀。幀之間的總線空閑不需要累加起始和 結(jié)束空閑。數(shù)據(jù)采用CRC16 校驗，整個信息參與校驗， 校驗和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。

圖3 RTU 方式

RS485 是異步半雙工的通訊總線。主機(jī)處于主導(dǎo)和支 配地位，定時發(fā)出監(jiān)控命令，等待從機(jī)的應(yīng)答。從機(jī)處于 偵聽狀態(tài)，不能主動往總線發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到主機(jī)發(fā)送 的一幀信息后，首先判斷地址碼是否本機(jī)地址，如果此幀 信息的地址碼和本機(jī)地址相同，則繼續(xù)處理命令碼和數(shù) 據(jù)，如果此幀信息的地址碼和本機(jī)地址不同，則忽略。接收完一個主機(jī)監(jiān)控命令后，先進(jìn)行校驗，如果校驗正確則執(zhí)行接收的監(jiān)控命令，并根據(jù)命令 回送相應(yīng)的應(yīng)答幀。任何時刻只能有一個從機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，但主機(jī)發(fā)送時所有從機(jī)都必須 處于接收狀態(tài)。

上位機(jī)PLC 的通訊流程圖如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)PLC 的通訊流程圖

3.2 PLC 與單片機(jī)通訊的實現(xiàn)

表 1 PLC 與單片機(jī)通訊的幀字節(jié)數(shù)

單片機(jī)進(jìn)行通信時工作在“方式一”的狀態(tài)下[5]。 因為PLC 發(fā)出的數(shù)據(jù)幀第一個字符為地址數(shù)據(jù)，所 以單片機(jī)在接收數(shù)據(jù)時要區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否是 幀的第一個字符。根據(jù)單片機(jī)每接收完一個字節(jié)數(shù) 據(jù)RI 就置1，而且?guī)g間隔4ms 以上，字符間隔少 于1.72ms， 可以通過計時的方式來判斷幀的第一個 字符。當(dāng)RI 置1，開始計時，到下一次RI 置1，計 時結(jié)束，當(dāng)時間間隔大于4ms，則后一次RI 置1 時 接收的字符是幀的第一個字符，當(dāng)時間少于1.72ms， 則不是。

為了簡化程序，可以協(xié)議好PLC 與單片機(jī)通訊 的幀字節(jié)數(shù)為6 個字節(jié)，如表1。單片機(jī)根據(jù)地址字 符數(shù)據(jù)判斷是否是本機(jī)地址，如果是，則接收處理 后面的5 個字節(jié)數(shù)據(jù)，計算前四個字節(jié)的CRC 校驗 碼，并與接收到的兩個字節(jié)CRC 校驗，進(jìn)行核對， 如果不相同，則不反饋數(shù)據(jù)給PLC，也不執(zhí)行數(shù)據(jù) 包含的指令，如果相同，則反饋數(shù)據(jù)給PLC，執(zhí)行 數(shù)據(jù)包含的指令。下位機(jī)單片機(jī)程序的流程圖如圖5 所示。

4 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點：在艾默生 PLC 與其變頻器的 通訊基礎(chǔ)上加入了基于RS485 接口Modbus 協(xié)議的 PLC 與單片機(jī)的多機(jī)通訊，該通訊方案硬件接口簡 單，軟件和通信協(xié)議有很好的通用性，可以拓展為PLC 與多個變頻器和單片機(jī)的同時通訊， 也可應(yīng)用于其他工程的多機(jī)通訊系統(tǒng)中。該通訊方案已經(jīng)成功應(yīng)用于混合動力電動汽車的驅(qū) 動電機(jī)及發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的綜合控制。