Modbus协议多机通讯系统设计

中国煤科天地自动化（常州）股份有限公司 张 蓉

1.绪论

目前单片机渗透到生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。在大部分单片机应用领域都是多个单片机构成一个多机通信系统，他们之间相互通信接收、发送和处理信息，发挥整体的作用。

Modbus协议是MODICON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，目前，多数智能仪表已利用该协议向户提供通信接口，随着仪表和通信技术的发展，Modbus协议由Standard Modbus（标准型）发展到Modbus Plus（增强型）。Modbus的通信方式为主从方式。主方首先向从方发送通信请求指令，从方根据请求指令中的功能码向主方发回数据。每个从方都有自己独立的地址。主方所发的请求帧和从方所发的应答帧都是以从方地址开头的。从方只读发给自己的指令，对以其他从方地址开头的报文不予理睬，并对接收到的正确的报文予以应答，这种一问一答的通信模式，大大提高了通信的正确率。但是在多机系统中，要求既有主机与从机通信，也要有从机与主机通信，这种结构的系统是无法满足要求的。

单片机多机通信的目的是实现分布式处理系统，其通信方式有很多种，应用前景广阔，具有很大的研究意义！

2.本设计的主要内容

设计制作一个一主二从的多机通信系统，用Modbus协议实现他们的通信，设计内容是：(1)选择系统元件；(2)设计一主二从三个分立系统；(3)完成一主二从的硬件制作；(4)根据Modbus协议编写多机通信程序；(5)系统整体调试；(6)撰写设计说明书。

拟解决的关键问题：采用Modbus协议的RTU格式来进行数据的发送和接收。

本课题的任务是在研究传统的多机通信系统的基础上，设计一种基于51系列单片机AT89S52采用Modbus协议实现的主从式多机通信系统。本系统分为一个主机和两个从机。主机通过串口向从机单片机发送制定格式的数据，从机单片机接收数据并作出相应，从机通过液晶来显示通信的状态。主机先发送的识别地址，等对应的从机识别后，主机将数据发给对应从机，从机进行CRC校验，然后将校验码发回从机和主机的校验码对比，相同则确认接收正确，否则就是接收到的是误码。接收完之后，将接收到的数据给单片机显示在1602液晶显示屏上。

本系统的硬件设计比较简洁，重点在于软件设计：根据Modbus协议对主从机的编程，其中对接收数据的校验很是重要，CRC的算法要通过编程来实现，并将发送方和接收方的校验码比较，确认数据的准确性。

3.系统的设计方案

系统的总体结构如图1所示。

本系统的模块：(1)主机模块；(2)1号从机模块；(3)2号从机模块；(4)1602液晶显示模块。

系统的设计目标是采用Modbus协议实现一主二从之间的串行通信功能，由三个大模块组成：包括了一个主机和两个从机，其中两个从机中加入了1602液晶显示模块用来显示接收到的数据。

整个系统功能是将主机和两个从机通过单片机的串行接口连接起来，由主机向两个从机发送数据，先发送接收从机的地址到从机，从机判断是否发给自己，地址对应则接收主机发来的数据，然后由单片机送入1602液晶显示出来。

4.硬件的总体设计

课题中设计的多机通信系统有一个主机、两个从机和显示模块，硬件上则要有三个单片机系统和显示部分。而单片机具有集成度高，系统结构简单，价廉轻便等众多优点，而且技术也很成熟，同样具有全双工串行通信能力，可以实现多片单片机串行通信的功能。本系统主要由电源、复位、处理器、显示器等电路组成。

图1 系统总体结构

图2 主机系统软件设计流程图

图3 从机系统的程序流程图

图4 1602液晶显示部分程序设计的流程图

5.软件的总体设计

课题要求设计一个由一个主机和两个从机组成的通信系统，采用ModBus通讯协议对本通信系统进行编程，实现一主二从的通信系统正常通信功能。整个系统的软件设计根据ModBus通讯协议的协议规约，分别对主机和两个从机编程，然后在从机程序中加入LCD显示程序，对从机接收的数据情况进行显示。

本多机通信系统的主机系统部分程序流程图如图2所示。

本多机通信系统的从机系统部分包括该从机与主机通信部分和1602LCD液晶显示部分。从机系统的程序流程图如图3所示；1602LCD液晶显示部分流程图如图4所示。

6.总结

工作表明：Modbus协议是一个工业上很热门的通信协议，本多机通信系统采用Modbus协议实现一个简单的主机与两个从机之间的通信。Modbus协议的规约很是完善，特别是对从机接收之后进行的CRC校验。CRC校验的算法比较复杂，但是正因为这样的算法，保证了从机接收到主机的数据的正确性，保证了通信的质量。通信的质量是非常的重要的，这个直接影响到多机通信的意义，假如接收的数据是错误的，那么这个多机通信系统就没有作用，系统就没有实际意义。本系统中实现了主机和两个从机的顺利通信，此课题的意义也体现出来，多机通信系统在工业系统中应用的特别多，虽然本课题中的多机系统只是实现了多机之间的简单通信功能，但是它很有课题意义和研究价值。

目前本系统尚存在缺陷。比如本系统中的主机和两个从机通信，主机只能是一个，主机不可以变成从机，而从机也不可以变成主机，主机和从机之间具有不平等性，只是单向的通信。由于各方面的因素，目前只做了这些，只实现了简单的多机通信的功能。

在多机通信的平等性方面还有很大的发展空间，比如可以在多机通信之前先确定三个之中的一个单片机作为主机，其他两个为从机，然后进行多机通信，实现这个功能需要加上键盘模块，采用键盘来设置主机和从机。实现这些功能则可以将多机通信中的平等性体现出来。

现在多机通信使用的普遍性很高，它是很多的完整系统中不可缺少的部分，有很多系统需要多机通信的功能来将系统实现得跟完整，实现多机一体化的完美系统。多机通信在今后的发展前景是很好的，它的重要性决定了在很多大系统中会看到多机通信的身影。

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