基于Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用

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50 Ω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9 600 kb·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3 ms；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200 ms。