基于MODBUS总线的智能配电控制系统的软件实现

【摘 要】本文介绍了一种基于modbus总线的配电控制软件系统，重点介绍了其通信协议和通信软件的设计方法。

【关键词】Modbus总线；智能控制；MODBUS协议

智能配电控制改变了传统配电点对点的工作模式，基于Modbus现场总线的智能配电控制系统的主要特点是开放性好，可多点通信，运行可靠，易维护，提升了对低压智能元件的保护能力。为达到系统的稳定可靠，必须保证系统通信畅通，因此系统软件设计的合理性显得尤为重要。

1 系统结构设计

系统的结构如图1所示。系统采用半双工主从通信方式，系统通过Modbus总线协议将主机与多个从机组网在一起，主机可以读取从机的报告并命令从机动作。因PC机自带的是RS232串行口，为方便电平匹配，需要通过RS232/485转接卡实现系统组网。因利用MODBUS总线协议组网有CRC校验纠错功能，可以提升系统的稳定可靠性。

图1 系统结构图

总线的软件实现主要由上位机和下位通信两部分组成。上位机作为服务器端具有控制的主动权，而下位机负责根据上位机的指令进行相应的动作。系统上位机主要完成数据管理、远端控制器管理，以及系统通信管理等功能。上位机的软件设计包括组态界面的开发与实现、串口通信和Moudbus协议实现三部分。

2 MODBUS总线实现

2.1 协议格式

MODBUS总线有ASCII和RTU两种传输模式，本文采用RTU传输模式。协议采用二进制代码编码格式，常用波特率为19200 bps，采用半双工通信方式，每个字符由11位组成，含1位起始位、8位数据位、2位停止位，字符的发送顺序为高位在前低位在后，帧结束标志为至少3.5个字符间隔时间，帧校验方式采用CRC校验，一个消息帧一般由起始位、设备地址、功能码、数据、CRC校验、结束符按相应格式组成。

2.2 SCI通信程序

2.2.1 SCI中断发送子程序（SCIA_TxInt_isr）

本子程序用中断的形式对发送缓存器内的数据进行发送，每发送一个字节中断一次，直到一帧发送完成为止。如图2所示为本子程序流程图。

2.2.2 SCI中断接收子程序（SCIA_RxInt_isr）

图2 SCI中断发送子程序流程图

本子程序用中断的形式接收数据帧，在接收过程中，可能会伴随一系列的错处，如溢出错、校验错、帧错等一些接收单个字节引起的通信出错，同时包括Moudbus接收的一些帧过滤及错误判断功能，如字符时间、地址及帧内时序错等判断，以保证接收到有效的数据帧。如图3所示为本子程序流程图，详细说明如下：

（1）通信错误判断。包括奇偶校验错（Moudbus不使用）、超时溢出错、帧出错、间断检测错、接收器错误等通信错误判断，主要是为了出错后能及时做出响应，保证接下去的通信保持正常，在发现通信错误后，在每次中断返回时，清出错标志。

（2）正常接收判断。当正在进行帧内接收（SCIA_RxFlag = L_FALSE）并且1.5和3.5字符时间都未到，说可以进行帧内数据接收，对帧内数据的接收过程包括接收到的字节放缓存单元。重新启动定时器，对字符时间进行计数。

（3）数据帧出错处理。当正在进行帧内数据接收，但字符时间超过1.5字符时间，说明出现帧内时序错，进行错误帧数据接收，接收过程基本与正常接收一致，只是多了一个置时序错表示。

（4）帧起始接收判断。当允许新数据帧接收，并且字符时间超过3.5个字符时间，则进行起始字节接收，由于协议规定，帧的起始字节是地址，要对其进行判断，若与自己的地址相符，说明帧是发给自己的，可以进行正常接受。

图3 SCI中断接收子程序流程图

3 通信软件设计

图4 上位机通信软流程图

3.1 上位机通信软件设计

上位机MODBUS协议的软件实现，首先主设备对串口进行初始化，然后对设备层的各个站点进行轮询，以0.5s为一个周期，发送运行参数消息帧后等待那个从设备的响应，如果超时进行下一个，并且实时判断从设备的响应消息是否正确，无论帧错误还是响应超时都将产生一个错误，并在实时数据库系统中显示并记录下来。调试时在连续三轮对同一站点轮询都出错时，此站点将被屏蔽，直到调试人员来重新调整。第一次读取协议规定的所有参数，以后如果整个系统都正常，既没有调整参数也没过载时，上位机将以0.5s为周期发送运行参数消息帧一直轮询。相应的流程图如图4所示：

3.2 从设备通信软件设计

从设备在上电时就对串口进行了初始化，采用中断的方式实时检测串口事件，一旦接收到消息，就会产生相应的中断，接收到完整的消息帧后根据MODBUS协议对消息帧进行解析，首先判断地址是否相符，如果不符合就不回应主设备。如果符合就对该消息进行校验，包括CRC校验或是否超时，一旦错误就发送响应的错误消息帧返回主设备，正确则解析该消息帧并根据要求回应相应的参数。相应的流程图如图5所示：

图5 从机通信软件流程图

4 结论

基基于MODBUS协议的智能配电控制系统运行稳定可靠，简单经济，既提高了配电保护水平，也提高了管理的效率及系统稳定性，对区域性的智能配电发展有较好的推广和借鉴意义。

【参考文献】

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