便携式Modbus现场总线协议分析仪研究与设计

王振力++林森++李冰

摘 要：基于Modbus现场总线通信协议的自动化仪表在工业现场应用越来越多，包括PLC、变送器、变频器、伺服驱动器、数据采集模块、触摸屏等，采用Modbus现场总线的自动化系统变得越来越复杂，系统的可靠性降低，故障维护实现困难。便携式Modbus协议分析仪为工程技术人员进行Modbus现场总线系统设计和故障诊断提供了有力支持，具有实际应用价值。

关键词：Modbus现场总线 协议分析仪 便携式

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0012-02

Abstract：Automatic instruments based on Modbus field bus communication protocol have been used more and more in industrial field， Including PLC， transmitter， frequency converter， servo driver， data acquisition module， touch screen and so on， The automation system using Modbus field bus is becoming more and more complex， the reliability of the system is reduced， and the maintenance of the fault is difficult. Portable Modbus fault diagnosis device provides strong support for engineering and technical personnel to design and diagnose Modbus fieldbus system， and has practical application value.

Key Words：Modbus Field Bus； Protocol Analyzer； Portable

1 研究背景

在信息化与工业化相结合的“两化融合”背景下，智能化、网络化、信息化是工业自动化系统的发展趋势。现场总线成为了工业自动化领域的研究热点，现场总线协议标准主要有Modbus、CAN、PROFIBUS、DeviceNet等，其中Modbus现场总线是早期用于Modicon品牌PLC通信应用，由于具有灵活、简单、开放、免费等特点，Modbus现场总线得到了广泛应用和发展。

协议分析仪是一种监视数据通信系统中的数据流，检验数据交换是否正确地按照协议的规定进行的专用测试工具，主要用于通信协议的开发、评价和分析。

便携式Modbus协议分析仪为工程技术人员进行Modbus现场总线系统设计和故障诊断提供了有力支持，具有实际应用价值。

2 Modbus协议分析仪硬件设计

Modbus协议分析仪以智能仪器产品开发为应用背景，以单片机为核心设计通信接口和人机交互接口，硬件框图如图1所示。

本项目在充分研究Modbus现场总线协议的国际标准和国家标准的基础上，运用嵌入式技术完成便携式Modbus协议分析仪设计，利用开放式通信接口实现Modbus现场总线物理层标准，运用嵌入式软件实现Modbus现场总线数据链路层和应用层标准，最终实现Modbus现场总线协议分析。硬件采用开关设定通信速率、站点地址、主从站、数据格式、有无应答等功能，最终通信结果可以采用LCD显示。由于Modbus现场总线物理層标准常采用RS-485和RS-232，所以本项目采用双串口单片机STC12C5A60S2。

3 Modbus协议分析仪软件设计

Modbus现场总线协议的核心在于Modbus应用层协议，本设计通过读取Modbus请求或者应答等数据帧进行分析，最终将分析结果在LCD上进行显示。软件设计主要任务有串行通信、数据分析处理和数据显示等程序设计，程序流程图如图2所示。

3.1 串行通信程序设计

Modbus定义了两种串行传输模式：RTU模式和ASCII模式，在Modbus串行链路上，所有设备的传输模式必须相同。串行通信程序设计主要包含单片机双串口初始化程序，根据按键功能完成传输模式、站点地址、数据格式、通信速率和主从站工作模式等功能。

3.2 数据分析处理

Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDA），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加字段。Modbus PDU中的功能码主要作用是告知将执行哪种操作，功能码后面是含有请求和响应参数的数据域。Modbus ADU中的附加地址用于告知站地址，差错校验码是根据报文内容执行冗余校验计算的结果。Modbus协议的通信时，首先主站准备请求并向服务器发送请求，然后从站分析并处理客户机的请求，最后向主站发送处理结果。本设计主要是读取Modbus数据帧，对其中各段信息内容进行存储和数据分析，最终将分析结果通过LCD和指示灯显示实现协议分析的功能。

4 结语

运用便携式Modbus协议分析仪可以实现单独测试Modbus主站、Modbus从站或者联合测试Modbus总线系统，能够测试出Modbus设备或者系统在进行现场总线通信时是否存在物理层、数据链路层或者应用层故障，尤其是应用层Modbus数据帧进行综合分析，对Modbus现场总线产品设计、系统调试和故障诊断与维护等工作有很大帮助，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 王振力.工业控制网络[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 颜河恒，王晓华，佟为明.Modbus关键技术分析及节点开发[J].自动化技术与应用，2006（5）：49-51.

[3] 刘衍伟，陈渊睿.基于RS485总线的监控系统研究与设计[J].微处理机，2011（2）：64-67.endprint