基于ARM Cortex-M3的MODBUS協(xié)議實現(xiàn)及其應用
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在外設初始過程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信參數(shù)為：波特率9 600 kb·s-1，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無奇偶校驗；其次，還需初始化STM32F103ZET6的GPI01為輸出模式，以此控制RS485的通信方向；再次，由于MODBUS RTU采用時間標記的方式進行協(xié)議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個字符發(fā)送時間，因此設置TIM2的溢出時間為3 ms；最后，為處理可能的總線延遲等通信故障，本文使用了系統(tǒng)定時器SysTick作超時判定，綜合考慮到變頻器動作時間、通信延遲等因素，超時判定的時間閾值取200 ms。
3 MODBUS協(xié)議實現(xiàn)
在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，STM32F103ZET6作為主節(jié)點負責變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節(jié)點負責響應主節(jié)點的請求，完成對交流電機的運動控制。因此本文中變頻調(diào)速系統(tǒng)為基于MODBUS協(xié)議的主節(jié)點程序實現(xiàn)，MODBUS協(xié)議主要分為3部分：數(shù)據(jù)幀發(fā)送，數(shù)據(jù)幀接收和數(shù)據(jù)幀處理。
3．1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送
發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協(xié)議幀才能成功進行發(fā)送，即MODBUS協(xié)議的編碼。由前所述，數(shù)據(jù)協(xié)議單元PDU包括功能碼和數(shù)據(jù)碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數(shù)作為參數(shù)封裝成PDU。構(gòu)建PDU之后，在數(shù)據(jù)幀頭部加入從機的地址，再將CR-C16校驗值寫入數(shù)據(jù)幀尾部即構(gòu)成完整的應用數(shù)據(jù)單元ADU。
MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗，按照循環(huán)冗余檢驗算法，使用標準16位生成多項式，可對任意長度的信息字段校驗出一個16位的校驗碼。其程序流程可描述如下：
(1)初始化一個16位寄存器，所有位進行置1。
(2)該16位寄存器與待校驗數(shù)據(jù)串中第1 Byte的數(shù)據(jù)進行異或，結(jié)果存回該寄存器。
(3)該16位寄存器右移一位。
(4)若該寄存器右移移出位為1，則與校驗多項式0A001H異或，否則重復步驟3。
(5)重復步驟3和步驟4直到該Byte的8位數(shù)據(jù)均處理完畢。
(6)取數(shù)據(jù)串中下一個數(shù)據(jù)與該16位數(shù)據(jù)進行異或結(jié)果存回寄存器。
(7)重復步驟3～步驟6，直到待校驗數(shù)據(jù)串中所有的字節(jié)數(shù)據(jù)均處理完畢。
(8)該16位寄存器中數(shù)據(jù)即CRC16的最終校驗結(jié)果，加至數(shù)據(jù)幀末端。
因為STM32F103ZET6芯片內(nèi)USART3無硬件FIFO的特點，所以需要軟件上使用隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為發(fā)送緩沖和接收緩沖，以此進行串行口的收發(fā)任務。因此，在工作模式上USART3的發(fā)送采用查詢式發(fā)送，一次性將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次循環(huán)地發(fā)送出去，即隊列的出隊操作；而其接收模式為中斷式，在USART3每次接收中斷的響應函數(shù)中，軟件按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)內(nèi)，即隊列的入隊操作。
3．2 數(shù)據(jù)幀接收
在發(fā)送完請求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發(fā)使能端，將RS485總線由發(fā)送狀態(tài)改為監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽過程中SMT32F1-03ZET6完成變頻器F2000-G應答幀的接收。
由于MODBUS RTU應答幀判定采取了時間標記法，因此本程序中使用了TM2作為觸發(fā)器進行時間管理。在接收過程中，USART3每次接收中斷對TM2進行復位操作以避免TIM2的溢出中斷；而當總線空閑了3．5個字符的發(fā)送時間后，TM2由于缺少USART3的復位，將產(chǎn)生溢出中斷，在中斷響應中完成關(guān)閉USART3結(jié)束數(shù)據(jù)通信和置應答幀接收完成標志位的操作。這種時間標記的程序均在后臺中斷中完成，主程序只需查詢接收完成標志位即可。
另一方面，由于從節(jié)點F2000-G可能存在著超時、無應答等通信故障，這就需要主節(jié)點STM32F103ZET6進行超時檢測。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統(tǒng)定時器，在芯片啟動后就以后臺方式運行，按ms計時并實時更新系統(tǒng)時間。因此在MODBUS RTU的超時判斷中，主程序可以利用該時鐘，循環(huán)地查詢當前時刻，并和發(fā)送完請求幀的起始時刻比較，若閾值時間200 ms內(nèi)仍然未收到請求幀，則認為通信失敗，返回應答超時碼。
3．3 數(shù)據(jù)幀處理
在完成數(shù)據(jù)幀正確接收的基礎(chǔ)上，STM32F0103ZET6必須進行應答幀處理，即MODBUS協(xié)議幀的解碼。系統(tǒng)從接收緩沖區(qū)中讀取應答幀。首先提取ADU進行地址碼和CRC校驗碼的判定；其次，再從PDU中提取ADU進行數(shù)據(jù)長度、功能碼、數(shù)據(jù)碼的判定；最后，如果校驗失敗則返回相應的校驗失敗碼，若校驗成功，則繼續(xù)從ADU／PDU中提取的數(shù)據(jù)進行處理，完成變頻調(diào)速的各種功能操作。最終，整個協(xié)議實現(xiàn)的軟件流程如圖3所示。
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