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1、仪器仪表标准化与计量2006314田拥军1 曾健平2（1.湖南理工职业技术学院，湘潭市 4 1 1 1 0 42.湖南大学 应用物理系，长沙市 4 1 0 0 8 2）Tian Yongjun1 Zeng Jian ping2(1.Hunan Vocational Institute of Technology,Xiangtan 4111042.Hunan University Department of Applied Physics,Changsha 410082)M O D B U S通信协议在电能管理系统中的应用Application of Modbus Protocol in the
2、 Electric Energy Management SystemAbstract:Modbus protocol is becoming the standard of meter and intelligent terminal because it is supported by manymanufacturers of meter.It adopts the Modbus protocol to design the communication programme in ours electric energymanagement system.In order to let per
3、sonal computer possess multi-communication function,we choose SN75LBC184actualize switch between RS232 and RS485.The paper provided the circuit diagram of switch between RS232 andRS485,and the serial communications flow chart of the electric energy management system base on Modbus protocol.Key words
4、:Electric Energy Management System Serial Communication RS485 Modbus Protocol【摘 要】M O D B U S 协议由于得到众多仪表厂家的支持，正在成为仪表及智能终端的工业标准。我们所设计的电能管理系统采用了 M O D B U S协议设计电能管理系统通信程序。选用 S N 7 5 L B C 1 8 4来完成R S 2 3 2 C 与 R S 4 8 5 串行口的转换，从而使 P C 机具备主从式多机通讯功能，实现对多个电能采集器组成数据采集终端的通讯与管理。本文给出了 R S 2 3 2 与 R S 4 8 5 的
5、转换电路图与基于 M O D B U S协议设计的电能管理系统串行通讯程序流程图。【关键词】电能管理系统 串行口通信 R S 4 8 5 M O D B U S 协议前言M O D B U S协议是 M O D I C O N公司推出的一个开放式现场总线的通信协议，由于得到众多仪表厂家的支持，正在成为仪表及智能终端的工业标准。我们设计的电能管理系统采用了M O D B U S通讯协议。本文介绍 M O D B U S协议在电能管理系统中应用，但由于篇幅有限,不能介绍电能表及电能采集器的软硬件设计。1 电能管理系统的硬件结构电能管理系统图如图1，管理微机通过R S 4 8 5 接口标准与各个电能
6、采集器进行通讯。电能采集器采集下属电能表电能数据以及传达管理微机的管理命令给相应的下属电能表。一个电能采集器最多可与2 5 5 个电能表进行通讯。电能采集器可安放在居民小区，每栋居民楼（或每几栋居民楼）安放一个电能采集器。每个电能表由电力部门给其分配唯一的编号，用电模式采用预付费方式，即用户用电前先到电力管理部门交费买电，电力部门根据用户电能表编号为其开户供电。当管理微机发现某用户电能表电费不足时，则向该用户表发送报警命令，该用户电能表声光报警；当某用户电费用完时，管理微机远程控制切断该用户的供电。2 R S 2 3 2-R S 4 8 5 转换电路设计P C机串行口为标准的 R S 2 3
7、2 C口，R S 2 3 2 C最大通信距离仅为 1 5 m，同时R S 2 3 2 C 是点对点（即只用一对收、发设备）的通信，因此P C 机无法直接对多个下位机进行远离通讯和管理。R S 4 8 5 标准抗干扰能力强，传输速率高，传送距离远。采用双绞线，不用 M O D E M 的情况下，在1 0 0 k b i t/s 的速率时，可传送的距离为1.2 k m，若速率降到9 6 0 0 b i t/s，则传送距离可达1 5 k m。它允收稿日期：2 0 0 6-0 3-1 5作者简介：田拥军(1 9 7 2-)，男，硕士，湖南省凤凰县人，研究方向为智能仪器仪表。图1 电能管理系统图Indu
8、strial Control Network仪器仪表标准化与计量2006315许的最大速率可达1 0 M b i t/s。R S 4 8 5 允许平衡电缆上连接3 2 个发送器/接收器对，因此R S 4 8 5 适用于多点通信系统中 1。管理微机不能直接与R S 4 8 5 接口，因此还须加上R S 2 3 2 C 与R S 4 8 5 的转换电路。R S 2 3 2 C与 R S 4 8 5转换选用 S N 7 5 L B C 1 8 4。S N 7 5 L B C 1 8 4 是美国T I 公司生产的一种R S 4 8 5 接口芯片,它使用单电源供电，电源电压在3.0 5.5 V 范围内均
9、能正常工作,可以完成T T L 与R S 4 8 5 之间的转换。该芯片还有一个独特的设计,即当输入端开路时,其输出为高电平,这样,即使在接收器输入端电缆有开路故障时,也不影响系统的正常工作。它的输入阻抗为R S 4 8 5标准输入阻抗的2 倍(2 4 k),故可在总线上连接6 4个收发器。其工作原理如图2 所示。其中:图2(a)表示在C=1 时,发送使能端D E 为高电平,接收使能端R E为低电平,S N 7 5 L B C 1 8 4 作为发送器；而图2(b)则表示C=0 时,接收使能R E 为高电平,发送使能端D E 为低电平,S N 7 5 L B C 1 8 4 作为接收器 2。(a
10、)(b)图2 S N 7 5 L B C 1 8 4 工作示意图利用S N 7 5 L B C 1 8 4 设计的R S 2 3 2 C 与R S 4 8 5 转换电路如图3。选用P C 机的 C O M 1 接口，但C O M 1 的 9个端口只使用其中的R T S、R X D、T X D与 G N D四个端口,以构成简易的四线通信线路。该电路使用了三片光电耦合器 T L P 5 2 1-1进行隔离,这使 P C机与S N 7 5 L B C 1 8 4 之间完全没有了电的联系，从而提高了工作的可靠性。当R S 2 3 2 的R T S 端为逻辑电平1(-1 2 V)时,光电耦合器的发光二极
11、管不发光，光敏三极管不导通,输出端为T T L 逻辑电平1(+5 V)，此时选中R S 4 8 5的D E 端允许R S 4 8 5 接收,这样,R S 2 3 2 的 T X D 端就可以发送数据(工作逻辑与R T S 端相似)。当R S 2 3 2的R T S 端为逻辑电平0(+1 2 V)时，光电耦合器的发光二极管发光,光敏三极管导通,输出端为T T L 逻辑电平0(0 V)，此时选中R S 4 8 5 的R E 端允许R S 4 8 5 发送。当R S 4 8 5 的R 端的输出为逻辑电平1 时，光电耦合器发光二极管不发光,光敏三极管不导通。这样,在R S 2 3 2输出停止时，其 T
12、 X D电平为-1 2 V,电容被充电到-1 2 V 以使其输出也变成-1 2 V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0 时,光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为+5 V，也在R S 2 3 2 逻辑电平0 的范围之内，即为逻辑电平0。3 M O D B U S 协议3.1 M O D B U S 协议简介M O D B U S 通信采用主从方式，在同一个网络中有一个主设备及最多达2 5 5 台从设备,从设备的地址编码为1 2 5 5。通常情况下，主设备只与1 台从设备通信，但当主设备发出的地址码为0 即采用广播方式时，可以将消息发送给所有的从设备。M O D B U S协议
13、有两种通信模式:A S C I I模式和R T U(远程终端单元)模式。A S C I I 模式是将一个字节分为两个A S C I I 字符发送，而R T U 模式以十六进制传送数据，一个字节就是一帧，因而数据传送的效率高于A S C I I 模式，大多数工业控制器采用R T U 模式。在同一个网络中，无论主机还是从机，都必须采用相同的通信模式及相同的传输速率。目前，M O D B U S 协议常用的传输速率为1 2 0 0 b i t/s 1 9 2 0 0 b i t/s。本设计选用R T U 模式，波特率设置为2 4 0 0 b i t/s。3.2 M O D B U S 协议通信帧格式
14、M O D B U S的通讯格式如表 1。1）地址码为1 字节，从机地址范围为0 1 H-F F H；2）功能码为1 字节，范围为1 2 5 5,功能码表示主机要求从机执行何种操作,如0 3 读寄存器数据,0 6 修改从机地址等,值得注意的是不同厂家的产品在功能码定义上与标准协议有很大差别。此外,从机响应主机时,还用功能码指示设备的工作状态,用以表示响应是否正常,若出现错误,功能码最高位置为1；3）数据段是请求和响应的主要内容,主机向从机请求读取寄存器内容时,数据段包括寄存器的起始地址及读取的寄存器个数。寄存器是从机存放数据的地方,一个寄存器存储2 字节数据,地址为1 6 位按高位在前低位在后
15、排列,有关寄存器地址可查阅仪表通信手册。从机回送响应的数据段包括数据长度、实际采集的数据,另外,从机出现异常,数据段则以错误代码表示；4）校验码采用1 6位的 C R C码，C R C校验是将数据帧同多项式 X 1 6+X 1 5+X 2+1进行计算，在开始时 C R C 寄存器的每一位图3 R S 2 3 2/R S 4 8 5 电平转换器连接图工业控制网络仪器仪表标准化与计量2006316都预置为1，然后把C R C 寄存器与8-b i t 的数据进行异或。之后对C R C 寄存器从高到低进行移位，在最高位(M S B)的位置补零，而最低位(L S B，移位后已经被移出C R C 寄存器)
16、如果为1，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则如果L S B 为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8 次，第一个8-b i t 数据处理完毕，用此时C R C 寄存器的值与下一个8-b i t数据异或并进行如前一个数据似的8 次移位。所有字符处理完成后C R C 寄存器内的值即为最终 C R C 值 3。主机与从机通信格式如表2 与表3。通信开始时首先由主机向从机发送地址,所有从机都会接收到地址并与本机地址比较,若地址不同则可不接收其余帧或对其余帧不做处理,若地址相同则准备接收本次数据包的其他帧。从机接收完毕后,生成接收数据(C R C 码除外)的C R C 校验码,并与主机发
17、送的 C R C 码比较,若相同则认为接收正确,从机按功能码的要求完成操作并生成回送数据包发送给主机,若校验出错则从机向主机发送出错数据包,出错数据包的特征是将功能码的最高位置位,即大于1 2 7 的功能码是出错功能码。主机发送的两个数据包之间的间隔应大于3.5 帧,从机检测到线路上空闲时间大于3.5 帧就认为主机的数据包已经发送结束,下一帧数据即为地址帧,所有的从机都将接收,因此在一个数据包中帧与帧的间隔不能超过3.5 帧,否则将可能引发通信出错 4。表1 M O D B U S 通信格式表2 主机向从机发送的请求帧格式表3 从机得到请求后响应帧格式4 基于M O D B U S 协议的通讯
18、程序设计4.1 电能管理系统通信程序设计在电能管理系统中，P C 机是电能采集器的上位机，但电能采集器是电能表的上位机。因此电能采集器要既要编制与P C 机的通讯程序，又要编制与电能表的通讯程序。设定功能码0 3 为上位机读取下位机寄存器数据；功能码0 5 为用户电量用完，切断用户供电；功能码0 6为用户电量不足电能表报警。4.1.1 电能采集器与电能表通讯程序设计电能采集器与电能表的 M C U均选择 A T 8 9 C 5 1，采用M C S-5 1 单片机汇编语言编制通信程序。(a)电能采集器发送程序流程图(b)电能采集器接收程序流程图图4 电能采集器与电能表通讯程序(1)电能采集器发送
19、请求帧程序流程图如图4(a)。发送工作过程为:1)把要发送的数据进行C R C 运算；2)发送下位机(电能表)地址码；3)发功能码，在这里功能码可为0 3（读取电能表电能数据），0 5（用户电量用完，断开用户供电），0 6（用户电量不足，电能表报警）；4)依次发送下位机数据寄存器的首地址高位及低位；5)发送C R C 校验码。(2)电能采集器接收电能表数据程序流程图如图4（b）。接收工作过程为：1）接收电能表发回的地址码；2）接收功能码，同时对功能码进行判断，如功能码为8 0 H，说明下位机未能正确接收电能采集器的请求帧（两边的C R C 码不符），电能采集器重新发送请求帧；如功能码为0 3
20、说明下位机已准确接收电能采集数据格式：地址码 功能码数据区 校验码数据长度：1 字节 1 字节N字节 1 6 位 C R C 码 1 2 34地址 功能码 寄存器起始地址 寄存器数 C R C 校验码1 字节 1 字节2 字节 2 字节 2 字节 1 2 34地址 功能码 数据长度 响应字节 C R C校验码1 字节 1 字节1 字节 N 字节 2 字节Industrial Control Network仪器仪表标准化与计量2006317器的请求帧，同时响应请求帧，按请求帧要求发回数据；3）接收数据长度码；4）接收数据；5）接收 C R C校检码；6）把收到的数据进行C R C 运算（收到C
21、R C 校检码不参与）；7）把运算所得的C R C 码与接收的C R C 码进行比较，相符说明接收无误，结束本次接收程序，不符说明接收错误，重新发送请求帧。(a)电能表接收请求帧流程图(b)电能表发送数据流程图图5 电能表通讯流程图(3)电能表接收上位机(电能采集器)请求帧流程图如图5（a）。电能表M C U 采用中断方式接收电能采集器的请求帧。其工作过程为：1）响应串行中断，接收地址码，判断地址码是否与本机地址相同，如不同则退出中断，相同进行下一步；2）接收功能码，判断功能码，如为0 6 H，则为用户电量不足电能表报警命令，电能表执行报警程序；如为0 5 H，则表明用户电量用完，电能表切断用
22、户供电；如为0 3 H，为电能采集器采集电能表数据命令，继续接收其它帧；3）依次接收寄存器高低位地址；4）依次接寄存器个数高低位；5）接收 C R C校验码；6）把所接收的数据进行C R C 运算（接收的校验码不参与）；7）把接收的C R C 校验码与运算所得的C R C 码进行比较，相符则说明接收正确，返回功能码0 3，不符说明接收不正确，返回功能码8 0 H。(4)电能表发送数据流程图如图5（b）。发送的功能码与接收状态有关，如接收请求帧时不正确，发回的功能码为8 0 H，发完功能码后停止发送，返回主程序；如接收请求帧正确，发回的功能码为0 3，然后正常发送数据。其发送过程为：1）计算要发
23、送的数据的C R C 码；2）发送地址码；3）发送功能码；4）发送数据长度值；5）发送数据；6）发送 C R C校验码。4.1.2 P C 机与电能采集器通讯程序设计P C 机采用T u r b C 语言编制通讯程序，电能采集器采用汇编语言编制通讯程序。通讯程序遵循M O D B U S 协议，它们的程序流程图与电能采集器与电能表的通讯程序流程图相同。5 结束语由于M O D B U S 协议受到众多仪表厂家的支持，因此基于M O D B U S 协议的通用工控组态软件越来越多。M O D B U S协议正在成为仪表及智能终端的工业标准，在我国的智能仪表与工业控制领域的应用将越来越广泛。参考文献 1 凌志浩.智能仪表原理与设计技术.上海:华东理工大学出版社,2 0 0 3:1 1 4 1 2 3 2 邓素萍.串行通信R S 2 3 2/R S 4 8 5 转换器 J .国外电子元器件,2 0 0 1(7）：6 2 6 3 3 曹祁,王晓萍,郭振武.M o d b u s 协议在数据采集仪中的实现 J .机电工程,2 0 0 4,2 1(6):4 9 5 0 4 祝木田,师勇.M o d b u s 协议通讯的的应用 J .微计算机信息,2 0 0 4,2 0(6):9 1 1工业控制网络