关键词：Modbus协议; DCS; 远程I/O; 串行通信
1 引言
近年来随着工控领域自动化水平的大幅提高，许多厂、矿企业原有的控制系统陆续开始各种软硬件的升级和改造。改造过程中，数据通信的合理、可靠关系到现场一系列大型设备的安全。由于整个工程往往由不同的单位分别完成，各部分之间的整合性必须得到保证，因此工业控制系统中常使用标准的协议进行接口通信。
Modbus协议 是一种工业通信和分布式控制系统协议，由MODICON公司出品，现已被众多的硬件生产厂商所支持并广泛应用于工业控制领域。DCS即集散控制系统，是以微处理器为核心的操作显示集中、控制功能分散的工业控制系统。安全可靠的性能和成熟的使用技术使得DCS广泛地应用于电力、冶金、石油化工、造纸、制药等行业。
陕西某电厂改扩建工程包括两部分系统：DCS，远程I/O数据采集系统。这两部分之间采用Modbus协议进行接口串行通信 。
2 Modbus通信协议
2.1 协议简介
Modbus是一种主从网络，允许一个主机（Master）和一个或多个从机（Slave）通信，支持两种有效的传送方式 ：RTU（Remote Terminal Unit，远程终端装置）和 ASCII（美国标准信息交换码）。两种方式的命令格式是相同的，采用何种方式取决于对通信速度的要求。要求速度快的要用RTU方式，而对通信速度要求不高的可用ASCⅡ码方式。协议的内容主要包括寄存器读写、开关量I/O等命令的格式。
本项目工程通信要求采用RTU方式，以下介绍、分析的命令格式均为标准的Modbus协议格式，所用的数据示例均引自工程中的应用实例。
2.2 主、从机命令格式
主机和从机之间采用查询与应答方式进行通信，每一种查询命令报文都对应着一种应答报文。主机发出的查询命令报文格式如表1所示：
表1 主机查询命令报文格式
地址码“02”表示主机要求查询02号从机，功能码“04”表示主机要求读保持寄存器操作，起始数据“00 00”表示从第1个数据开始读，数据长度“00 40”表示要求读取64个模拟量数据。
CRC校验码：即循环冗余校验码，当本机计算得的CRC码与接收到的CRC码一致时 方认为命令校验正确并进行操作，否则返回出错信息或放弃此命令。具体参见下文2.3。
从机接收到表1所示命令时的正确信息应答报文格式如表2所示：
表2 从机应答命令报文格式
表中“02、04”如前所述，“80”为从机发送数据的字节个数，即数据共发送了128个字节（64个数据）;“00 10 … 01 3A”为第1～64个数据的高、低字节值。
从机应答命令中的地址码、功能码必须与主机查询命令相同;命令中的模拟量数据必须按高位字节在前、低位字节在后的顺序放置，而CRC码与此相反，是低位字节在前、高位字节在后。
如果发生错误或异常，从机将返回主机出错命令，格式如表3所示：
表3 从机返回出错命令报文格式
“84”是与主机查询命令中功能码“04”相对应的出错功能码，出错码“03”表明主机查询命令中的“数据长度”项有错，例如超出了最大数据量等。
在其他工程应用中，Modbus协议的各种功能码、出错码的含义及其具体选择、使用可参见参考文献[1]。
2.3 错误检测方法
标准的Modbus协议串行通信网络采用两种错误检测方法。一是奇偶校验，对每个字符都可用;二是帧检测（CRC 或LRC），应用于整个命令报文。
RTU方式下帧检测采用的是CRC校验，方法是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程对命令中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理 。最终寄存器中的值，就是命令字符串中所有的字节都执行之后的CRC校验码值。
下面给出Visual C++ 6.0下CRC校验码计算函数：
WORD CRC_Calc （PBYTE buf, UINT num）
｛
UINT i, j;
WORD temp, crc = 0xFFFF;
for （ i = 0; i < num; i ++）｛
temp = buf[ i ] & 0x00FF;
crc ︿= temp;
for （ j = 0; j < 8; j ++）｛
if （ crc & 0x0001）
｛crc >>= 1;crc ︿= 0xA001;｝
else crc >>= 1;
｝
｝
return crc;
｝
计算得的CRC校验码添加到命令中时，必须按低位字节在前、高位字节在后的顺序放置。例如，对表1所示的主机查询命令调用计算函数得到其CRC码为C9F1，则命令中最后两个字节是F1、C9。
3 硬件构架
系统中通信网络采用点对点方式，即网络中只有一台主机和一台从机。将一台工业PC机模拟PLC作为从机（远程I/O数据采集系统），采用RS-485信号与DCS主机进行串口通信。通信的模拟量参数为#1机组217点、#2机组217点和公用部分48点，共计三个数据块482点。
系统的硬件实现如图1所示：
图1 系统硬件接口框图
主机、从机之间装有一对台湾研华公司的ADAM4520转换器，用于完成RS-232与RS-485信号的转换，实现长距离的通信。另外，此转换器还需要+24V直流电源。
4 软件设计
4.1 软件功能
主机通信子程序已内嵌在DCS系统中，以下介绍从机通信子程序的设计和开发。
从机操作系统为Win2000，程序设计平台为VC++6.0 ，通信程序采用Win32的API函数读、写串口。
程序的界面设计主要包括：一个复选框，用于选择通信的数据块;一系列下拉列表，用于设置通信的串口参数;网络状态显示控件。复选框的内容是#1、#2及公用部分三个数据块，下拉列表主要包括设定波特率（9600bps）、起始位（1位）、数据位（7位）、奇偶校验位（1位）、停止位（1位），有无奇偶检验（无）等，设置的内容均可以调整。
程序的功能设计请参见通信子程序以及解析应答模块的流程图，分别如图2、3所示：
图2 从机通信子程序流程图
从机通信子程序采取了多线程的工作方式。程序首先设置与DCS相同的串口参数以进行串口初始化，并按照DCS的要求选定通信的数据块，之后创建一个侦听串口事件线程CommWatchThread（ ），由此线程监测网络状态及主机发送来的命令消息等各种串口事件，再调用相应的函数对事件进行处理。
图3 从机解析应答模块流程图
解析应答模块共有两个函数：RecvData（ ）、SendData（ ）。当RecvData（ ）函数成功读取到主机的查询命令后，首先对数据量和校验码进行校验，如果有错，则由SendData（ ）向主机返回相应的出错命令报文;如果正确，则由SendData（ ）按照命令中要求的起始数据和数据量读取数据库，准备应答命令报文，并调用CRC计算函数计算出CRC码添加到命令的最后两个字节中，发送给主机。
由于通信系统网络采用点对点方式且只进行模拟量数据的通信，所以从机程序的解析、应答模块在对命令进行校验的时候只进行了数据量和CRC校验，省略了地址码和功能码等的校验，以节省时间，提高通信的效率。
4.2 软件特点
1、 采用VisualC++面向对象的设计方法编写通信软件程序，模拟PLC通信的原理在工业PC机上实现基于Modbus协议的串行通信，操作方便。
2、 采用多线程技术和消息驱动的工作方式，可以充分利用计算机系统的资源，避免瓶颈的产生，达到将系统进行合理组织的目的，有效地避免了网络数据的冲突，使得数据通信安全可靠。
5 结束语
本文介绍了使用工业PC机通过Modbus协议实现DCS与远程I/O系统进行串口数据通信的过程，采用VC开发的通信软件已成功应用于陕西某电厂的改造工程，这种通信方式灵活方便，可靠性高，完全达到了预期的要求。了解Modbus协议是我们掌握PLC、智能仪表、单片机等通信机制的重要内容，对过程监控、数据采集等系统中使用PC机进行串行通信的软件开发本文不失为具有普遍的意义。
参考文献:
[1] Modicon Modbus Protocol Reference Guide[EB/OL]. June 1996, MODICON, Inc.
[2] Mark Nelson著.潇湘工作室译.串行通信开发指南[M].北京：中国水利水电出版社，2000年
[3] 王常力,廖道文.集散型控制系统的设计与应用[M].北京：清华大学出版社,1993年.
[4] Davis Chapman著.骆长乐译.学用Visual C++ 6.0.北京：清华大学出版社,1999年.
