基于ARM Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用

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基于ARM Cortex-M3的MODBUS协议实现及其应用

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。
关键词 MODBUS;RS485;ARM Cortex-M3;变频调速;嵌入式系统

    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。

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    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。

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