作者：吳寅華,，趙 敏 南京航空航天大學

漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術(shù)，其具有檢測速度快、靈敏度高,、無需耦合劑,、易于實現(xiàn)自動化等特點，是鋼軌探傷技術(shù)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(tǒng)的無損探傷試驗儀，通過實現(xiàn)MODBUS協(xié)議與變頻器通信,，以此驅(qū)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(jù)MODBUS協(xié)議規(guī)定,，利用RealView MDK開發(fā)了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件，實現(xiàn)了與變頻器的MODBUS通信,，完成變頻調(diào)速的運動控制功能,。

1 MODBUS協(xié)議
1．1 MODBOS協(xié)議簡介
MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協(xié)議商標，該協(xié)議具有糾錯能力強,、數(shù)據(jù)傳輸量大,、實時性好等特點,，是工業(yè)自動控制領(lǐng)域使用較廣泛的通訊語言,，目前已成為我國工業(yè)自動化領(lǐng)域的一種國家標準。
MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能識別的消息結(jié)構(gòu),，它描述了控制器請求訪問和應(yīng)答回應(yīng)其他設(shè)備的過程,，以及錯誤檢測和記錄的規(guī)范，制定了報文字段和內(nèi)容的公共格式,。MODBUS屬于應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議,，其通信結(jié)構(gòu)為一對多的主從查詢模式，即主從Master-Slave模式,。  MODBUS網(wǎng)絡(luò)上可以有多個從節(jié)點,，但有且只能有一個主節(jié)點，主節(jié)點按照通信協(xié)議對從節(jié)點發(fā)出請求操作,，從設(shè)備收到主節(jié)點的請求后,，做出相應(yīng)的響應(yīng)再向主節(jié)點回復(fù)應(yīng)答消息。
1．2 MODBOS協(xié)議組成
MODBUS協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式,。ASCII模式中數(shù)據(jù)以ASCH字符碼表示,，通過冒號、回車字符判定數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束,，采用IRC數(shù)據(jù)檢驗,；RTU模式中數(shù)據(jù)以非壓縮BCD碼表示，通過時間標記實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀起始判定，采用CRC數(shù)據(jù)校驗,，具有數(shù)據(jù)吞吐量高,、傳輸穩(wěn)定、通信效率高的優(yōu)點,。
由于變頻調(diào)速系統(tǒng)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(xié)議幀組成上,，MODBUS定義了一個基本的，與通信層無關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)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(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數(shù)據(jù)幀,，MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀組成如表1所示,。

在數(shù)據(jù)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(fā)送3．5個字符的時間,，該時間稱為T3.5。

在MODBUS數(shù)據(jù)幀中,，功能碼是指主節(jié)點對從節(jié)點的請求操作類型,，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。

MODBUS RTU采用循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼,，編碼簡單且誤判概率很低,，在串行通信、以太網(wǎng),、MPEG解碼等通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,。在通信過程中，發(fā)送方用待發(fā)送數(shù)據(jù)除以一個收發(fā)雙方約定的生成多項式,，將得到余數(shù)作為CRC校驗多項式,，附加在待發(fā)送數(shù)據(jù)尾部作為一個整體發(fā)送給接收方。接收方將收到的數(shù)據(jù)同樣除以生成多項式,，若余數(shù)為零剛傳輸正常,，若余數(shù)不為零則傳輸出錯。

2 電路連接及硬件參數(shù)
在無損探傷試驗儀中,，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心,，而變頻器采用了煙臺惠豐公司的F2000-G矢量變頻酪。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000-G相連,，按照MODBUS協(xié)議與之通信,，實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制功能,。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx,、Uart3Tx連接到MAX3485的RO,、DI以進行RS232的數(shù)據(jù)收發(fā)；STM32F103ZET6的GPI01以I ／O模式與MAX3485的接收使能端RE,、發(fā)送使能端DE相連,，對RS485半雙工總線的通信方向進行統(tǒng)一控制；而MAX3485的差分信號端A,、B則通過插座與F2000-G相連,，同時為保證通信質(zhì)量，消除總線上的信號反射,，需在RS485網(wǎng)絡(luò)終端的差分總線間串聯(lián)50 Ω的電阻R1,。

在外設(shè)初始過程中，首先需要初始化USART3,，按照F2000-G要求,，采用的通信參數(shù)為：波特率9 600 kb·s-1，8位數(shù)據(jù)位,，2位停止位,，無奇偶校驗；其次,，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式,，以此控制RS485的通信方向；再次,，由于MODBUS RTU采用時間標記的方式進行協(xié)議幀的起始判定,，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結(jié)束,，而MODBUS RTU中T3.5在工程應(yīng)用通常取4個字符發(fā)送時間,，因此設(shè)置TIM2的溢出時間為3 ms；最后,，為處理可能的總線延遲等通信故障,，本文使用了系統(tǒng)定時器SysTick作超時判定，綜合考慮到變頻器動作時間,、通信延遲等因素,，超時判定的時間閾值取200 ms。

3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)
在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,，STM32F103ZET6作為主節(jié)點負責變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制,，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點負責響應(yīng)主節(jié)點的請求，完成對交流電機的運動控制,。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點程序?qū)崿F(xiàn),，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數(shù)據(jù)幀發(fā)送,，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。
3．1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送
發(fā)送數(shù)據(jù)時,，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協(xié)議幀才能成功進行發(fā)送,，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述,，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼,，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后,，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機的地址,，再將CR-C16校驗值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU。
MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗,，按照循環(huán)冗余檢驗算法,，使用標準16位生成多項式，可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼,。其程序流程可描述如下：
(1)初始化一個16位寄存器,，所有位進行置1。
(2)該16位寄存器與待校驗數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進行異或,，結(jié)果存回該寄存器,。
(3)該16位寄存器右移一位。
(4)若該寄存器右移移出位為1,，則與校驗多項式0A001H異或,，否則重復(fù)步驟3。
(5)重復(fù)步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢,。
(6)取數(shù)據(jù)串中下一個數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進行異或結(jié)果存回寄存器,。
(7)重復(fù)步驟3～步驟6，直到待校驗數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢,。
(8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗結(jié)果,，加至數(shù)據(jù)幀末端。
因為STM32F103ZET6芯片內(nèi)USART3無硬件FIFO的特點,，所以需要軟件上使用隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖,，以此進行串行口的收發(fā)任務(wù)。因此,，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送,，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊列的出隊操作,；而其接收模式為中斷式,，在USART3每次接收中斷的響應(yīng)函數(shù)中，軟件按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi),，即隊列的入隊操作,。
3．2 數(shù)據(jù)幀接收
在發(fā)送完請求幀后,，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài),。在監(jiān)聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應(yīng)答幀的接收,。
由于MODBUS RTU應(yīng)答幀判定采取了時間標記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進行時間管理,。在接收過程中,，USART3每次接收中斷對TM2進行復(fù)位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當總線空閑了3．5個字符的發(fā)送時間后,，TM2由于缺少USART3的復(fù)位,，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應(yīng)中完成關(guān)閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應(yīng)答幀接收完成標志位的操作,。這種時間標記的程序均在后臺中斷中完成,，主程序只需查詢接收完成標志位即可。
另一方面,，由于從節(jié)點F2000-G可能存在著超時,、無應(yīng)答等通信故障，這就需要主節(jié)點STM32F103ZET6進行超時檢測,。在STM32F103ZE6中,，SysTick作為系統(tǒng)定時器，在芯片啟動后就以后臺方式運行,，按ms計時并實時更新系統(tǒng)時間,。因此在MODBUS RTU的超時判斷中，主程序可以利用該時鐘,，循環(huán)地查詢當前時刻,，并和發(fā)送完請求幀的起始時刻比較，若閾值時間200 ms內(nèi)仍然未收到請求幀,，則認為通信失敗,，返回應(yīng)答超時碼。
3．3 數(shù)據(jù)幀處理
在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎(chǔ)上,，STM32F0103ZET6必須進行應(yīng)答幀處理,，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應(yīng)答幀,。首先提取ADU進行地址碼和CRC校驗碼的判定；其次,，再從PDU中提取ADU進行數(shù)據(jù)長度,、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定,；最后,，如果校驗失敗則返回相應(yīng)的校驗失敗碼,，若校驗成功，則繼續(xù)從ADU／PDU中提取的數(shù)據(jù)進行處理,，完成變頻調(diào)速的各種功能操作,。最終，整個協(xié)議實現(xiàn)的軟件流程如圖3所示,。

4 嵌入式變頻調(diào)速系統(tǒng)
利用MODBUS協(xié)議,，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，例如目標頻率設(shè)置和變頻控制等,。常用功能命令的地址及其參數(shù)功能如表3所示,。

在實際應(yīng)用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實現(xiàn)人機交互,，根據(jù)用戶輸入實現(xiàn)對交流電機的變頻調(diào)速操作,。例如，欲啟動電機進行無損探傷試驗時,，程序?qū)2000-G的2000H處寄存器寫入狀態(tài)字0001H,，啟動電機正轉(zhuǎn)運行。通信記錄如下,，主節(jié)點STM32F103ZET6啟動變頻器發(fā)送：01 06 20 00 00 01 43 CA,；如果從節(jié)點F2000-G操作正常則應(yīng)答：01 06 20 00 00 01 43 CA。
當STM32F103ZET6正確讀取完應(yīng)答幀,，并通過校驗后,，即可判斷變頻器已成功啟動交流電機，機械試驗系統(tǒng)開始運行并逐步加速到目標轉(zhuǎn)速,。

5 結(jié)束語
以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統(tǒng),，通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網(wǎng)絡(luò)。軟件部分介紹了MODBUS協(xié)議的特點及其組成,，分析了MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)原理,，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的工作特點實現(xiàn)了該協(xié)議的編程?；贛ODBUS協(xié)議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實現(xiàn)了對機電試驗裝置的變頻調(diào)速控制,。實踐表明，該系統(tǒng)性能可靠,、通信穩(wěn)定,，滿足了無損探傷試驗儀在轉(zhuǎn)速為40～1 400 r·min-1范圍內(nèi)變頻調(diào)速的控制需求。