基于ARM Cortex-M3的MODBUS協議實現及其應用

摘要 針對變頻器通信應用，介紹了MODBUS協議的特點及其組成；設計了RS485電路接口；并以ARMCortex-M3微控制器為核心，設計了MODBUS協議的實現方案。針對變頻器F2000-G開發了嵌入式系統．實現變頻調速功能，應用于無損檢測試驗儀。
關鍵詞 MODBUS；RS485；ARM Cortex-M3；變頻調速；嵌入式系統

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術，其具有檢測速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實現自動化等特點，是鋼軌探傷技術的重點研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題，研制了基于嵌入式系統的無損探傷試驗儀，通過實現MODBUS協議與變頻器通信，以此驅動交流電機與機械試驗裝置，完成運動控制并進行無損探傷試驗。
針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題，依據MODBUS協議規定，利用RealView MDK開發了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件，實現了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調速的運動控制功能。

1 MODBUS協議
1．1 MODBOS協議簡介
MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協議商標，該協議具有糾錯能力強、數據傳輸量大、實時性好等特點，是工業自動控制領域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業自動化領域的一種國家標準。
MODBUS協議定義了一個控制器能識別的消息結構，它描述了控制器請求訪問和應答回應其他設備的過程，以及錯誤檢測和記錄的規范，制定了報文字段和內容的公共格式。MODBUS屬于應用層報文傳輸協議，其通信結構為一對多的主從查詢模式，即主從Master-Slave模式。 MODBUS網絡上可以有多個從節點，但有且只能有一個主節點，主節點按照通信協議對從節點發出請求操作，從設備收到主節點的請求后，做出相應的響應再向主節點回復應答消息。
1．2 MODBOS協議組成
MODBUS協議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數據以ASCH字符碼表示，通過冒號、回車字符判定數據幀的起始和結束，采用IRC數據檢驗；RTU模式中數據以非壓縮BCD碼表示，通過時間標記實現數據幀起始判定，采用CRC數據校驗，具有數據吞吐量高、傳輸穩定、通信效率高的優點。
由于變頻調速系統的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高、時間管理嚴格的RTU傳輸模式。在協議幀組成上，MODBUS定義了一個基本的，與通信層無關數據協議單元PDU(Protocol Data Unit)，并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應用數據單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數據幀，MODBUS RTU數據幀組成如表1所示。

在數據幀起始判定上，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標記方法，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發送3．5個字符的時間，該時間稱為T3.5。