作者：吳寅華，趙 敏 南京航空航天大學
漏磁探傷作為非接觸式的無損探傷技術，其具有檢測速度快、靈敏度高、無需耦合劑、易于實現自動化等特點，是鋼軌探傷技術的重點研究方向。為解決漏磁探傷研究中的實驗仿真問題，研制了基于嵌入式系統的無損探傷試驗儀，通過實現MODBUS協議與變頻器通信，以此驅動交流電機與機械試驗裝置，完成運動控制并進行無損探傷試驗。
針對無損探傷試驗儀中變頻器通信問題，依據MODBUS協議規定，利用RealView MDK開發了基于ARM Cortex-M3微控制器的嵌入式軟件，實現了與變頻器的MODBUS通信，完成變頻調速的運動控制功能。
1 MODBUS協議
1．1 MODBOS協議簡介
MODBUS是Gould Ine注冊的通訊協議商標，該協議具有糾錯能力強、數據傳輸量大、實時性好等特點，是工業自動控制領域使用較廣泛的通訊語言，目前已成為我國工業自動化領域的一種國家標準。
MODBUS協議定義了一個控制器能識別的消息結構，它描述了控制器請求訪問和應答回應其他設備的過程，以及錯誤檢測和記錄的規范，制定了報文字段和內容的公共格式。MODBUS屬于應用層報文傳輸協議，其通信結構為一對多的主從查詢模式，即主從Master-Slave模式。 MODBUS網絡上可以有多個從節點，但有且只能有一個主節點，主節點按照通信協議對從節點發出請求操作，從設備收到主節點的請求后，做出相應的響應再向主節點回復應答消息。
1．2 MODBOS協議組成
MODBUS協議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。ASCII模式中數據以ASCH字符碼表示，通過冒號、回車字符判定數據幀的起始和結束，采用IRC數據檢驗；RTU模式中數據以非壓縮BCD碼表示，通過時間標記實現數據幀起始判定，采用CRC數據校驗，具有數據吞吐量高、傳輸穩定、通信效率高的優點。
由于變頻調速系統的安全性能要求較高，所以選擇通信效率高、時間管理嚴格的RTU傳輸模式。在協議幀組成上，MODBUS定義了一個基本的，與通信層無關數據協議單元PDU(Protocol Data Unit)，并通過在PDU上添加地址、校驗等附加域定義了應用數據單元ADU(Application Data Unit)，形成完整的數據幀，MODBUS RTU數據幀組成如表1所示。
在數據幀起始判定上，MODBUS RTU采用了如圖1所示的時間標記方法，即相鄰的兩幀之間必須間隔至少為總線發送3．5個字符的時間，該時間稱為T3.5。
在MODBUS數據幀中，功能碼是指主節點對從節點的請求操作類型，常用的MODBUS功能碼及其功能如表2所示。
MODBUS RTU采用循環冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是一種被廣泛采用的多項式編碼，編碼簡單且誤判概率很低，在串行通信、以太網、MPEG解碼等通信領域中得到了廣泛應用。在通信過程中，發送方用待發送數據除以一個收發雙方約定的生成多項式，將得到余數作為CRC校驗多項式，附加在待發送數據尾部作為一個整體發送給接收方。接收方將收到的數據同樣除以生成多項式，若余數為零剛傳輸正常，若余數不為零則傳輸出錯。
2 電路連接及硬件參數
在無損探傷試驗儀中，選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6微控制器作為處理核心，而變頻器采用了煙臺惠豐公司的F2000-G矢量變頻酪。STM32F103ZET6通過基于MAX3485的RS485鏈路與F2000-G相連，按照MODBUS協議與之通信，實現變頻調速的控制功能。RS485接口電路如圖2所示，STM32F103ZET6的USART3的Uart3Rx、Uart3Tx連接到MAX3485的RO、DI以進行RS232的數據收發；STM32F103ZET6的GPI01以I ／O模式與MAX3485的接收使能端RE、發送使能端DE相連，對RS485半雙工總線的通信方向進行統一控制；而MAX3485的差分信號端A、B則通過插座與F2000-G相連，同時為保證通信質量，消除總線上的信號反射，需在RS485網絡終端的差分總線間串聯50 Ω的電阻R1。
在外設初始過程中，首先需要初始化USART3，按照F2000-G要求，采用的通信參數為：波特率9 600 kb·s-1，8位數據位，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議幀的起始判定，所以使用STM32F103ZET6的定時器TIM2用以判定數據幀的結束，而MODBUS RTU中T3.5在工程應用通常取4個字符發送時間，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協議實現
在變頻調速系統中，STM32F103ZET6作為主節點負責變頻調速系統的功能控制，而變頻器F2000-G作為MODBUS從節點負責響應主節點的請求，完成對交流電機的運動控制。因此本文中變頻調速系統為基于MODBUS協議的主節點程序實現，MODBUS協議主要分為3部分：數據幀發送，數據幀接收和數據幀處理。
3．1 數據幀發送
發送數據時，必須將請求操作封裝成標準的MODBUS協議幀才能成功進行發送，即MODBUS協議的編碼。由前所述，數據協議單元PDU包括功能碼和數據碼，PDU的封裝可以歸納為將操作類型和操作參數作為參數封裝成PDU。構建PDU之后，在數據幀頭部加入從機的地址，再將CR-C16校驗值寫入數據幀尾部即構成完整的應用數據單元ADU。
MODBUS中使用CRC16作為冗余校驗，按照循環冗余檢驗算法，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據串中第1 Byte的數據進行異或，結果存回該寄存器。
(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位數據均處理完畢。
(6)取數據串中下一個數據與該16位數據進行異或結果存回寄存器。
(7)重復步驟3～步驟6，直到待校驗數據串中所有的字節數據均處理完畢。
(8)該16位寄存器中數據即CRC16的最終校驗結果，加至數據幀末端。
因為STM32F103ZET6芯片內USART3無硬件FIFO的特點，所以需要軟件上使用隊列的數據結構作為發送緩沖和接收緩沖，以此進行串行口的收發任務。因此，在工作模式上USART3的發送采用查詢式發送，一次性將發送緩沖區中的數據依次循環地發送出去，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中，軟件按時間先后順序將數據寫入接收緩沖區內，即隊列的入隊操作。
3．2 數據幀接收
在發送完請求幀后，STM32F103ZET6通過GPIO操作總線的收／發使能端，將RS485總線由發送狀態改為監聽狀態。在監聽過程中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個字符的發送時間后，TM2由于缺少USART3的復位，將產生溢出中斷，在中斷響應中完成關閉USART3結束數據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，由于從節點F2000-G可能存在著超時、無應答等通信故障，這就需要主節點STM32F103ZET6進行超時檢測。在STM32F103ZE6中，SysTick作為系統定時器，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，循環地查詢當前時刻，并和發送完請求幀的起始時刻比較，若閾值時間200 ms內仍然未收到請求幀，則認為通信失敗，返回應答超時碼。
3．3 數據幀處理
在完成數據幀正確接收的基礎上，STM32F0103ZET6必須進行應答幀處理，即MODBUS協議幀的解碼。系統從接收緩沖區中讀取應答幀。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進行數據長度、功能碼、數據碼的判定；最后，如果校驗失敗則返回相應的校驗失敗碼，若校驗成功，則繼續從ADU／PDU中提取的數據進行處理，完成變頻調速的各種功能操作。最終，整個協議實現的軟件流程如圖3所示。
4 嵌入式變頻調速系統
利用MODBUS協議，STM32F103ZET6可按照F2000-G提供的各種功能實現變頻調速的功能，例如目標頻率設置和變頻控制等。常用功能命令的地址及其參數功能如表3所示。
在實際應用中，STM32F103ZET6通過HMI接口實現人機交互，根據用戶輸入實現對交流電機的變頻調速操作。例如，欲啟動電機進行無損探傷試驗時，程序對F2000-G的2000H處寄存器寫入狀態字0001H，啟動電機正轉運行。通信記錄如下，主節點STM32F103ZET6啟動變頻器發送：01 06 20 00 00 01 43 CA；如果從節點F2000-G操作正常則應答：01 06 20 00 00 01 43 CA。
當STM32F103ZET6正確讀取完應答幀，并通過校驗后，即可判斷變頻器已成功啟動交流電機，機械試驗系統開始運行并逐步加速到目標轉速。
5 結束語
以STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統，通過MAX3485與變頻器F2000-G組成基于RS485的網絡。軟件部分介紹了MODBUS協議的特點及其組成，分析了MODBUS協議的實現原理，并結合嵌入式系統的工作特點實現了該協議的編程。基于MODBUS協議的嵌入式軟件通過與F2000-G的通信實現了對機電試驗裝置的變頻調速控制。實踐表明，該系統性能可靠、通信穩定，滿足了無損探傷試驗儀在轉速為40～1 400 r·min-1范圍內變頻調速的控制需求。