Modbus協(xié)議 - 基于Modbus協(xié)議與MCX314的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　Modbus協(xié)議是MODICON公司1979年為自己的PLC產(chǎn)品而推出的一個(gè)開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，是一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))與其他設(shè)備之間通信的協(xié)議，現(xiàn)已成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以通過(guò)該協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控。

　　Modbus協(xié)議定義了一種通用的消息結(jié)構(gòu)，描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其他設(shè)備的一個(gè)過(guò)程，包括如何回應(yīng)來(lái)自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，并制定了消息域和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在此網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，每個(gè)控制器都擁有一個(gè)惟一的地址，并識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，最終決定要產(chǎn)生何種動(dòng)作。如果需要回應(yīng)，則控制器將生成反饋信息并按此協(xié)議格式回應(yīng)。

　　3.3 Modbus RTU通信模式

　　Modbus協(xié)議包括2種傳輸模式，即ASCII碼和RTU模式。控制器可以設(shè)置為2種傳輸模式中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信。本設(shè)計(jì)采用RTU傳輸模式。

　　當(dāng)控制器設(shè)備選用RTU模式通信時(shí)，消息中的每個(gè)字節(jié)包含2個(gè)4位的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，能夠比ASCII碼方式傳送更多的數(shù)據(jù)。Modbus RTU主機(jī)消息幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　其中，地址碼代表從機(jī)地址，設(shè)置為0，表示廣播消息。功能碼表示主機(jī)指令，包括讀/寫控釗狀態(tài)、讀/寫寄存器等。數(shù)據(jù)區(qū)則為讀/寫寄存器地址及讀取位數(shù)。RTU模式采用CRC校驗(yàn)。

　　相應(yīng)的從機(jī)返回消息幀結(jié)構(gòu)與主機(jī)消息幀結(jié)構(gòu)類似，但是附加了數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，如表2所示。

　　3.4 MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片控制

　　MCU通過(guò)16位數(shù)據(jù)/地址總線與MCX314進(jìn)行通信，可選擇8位/16位數(shù)據(jù)總線格式。本設(shè)計(jì)采用了8位數(shù)據(jù)總線格式，在16位總線中分配8位為數(shù)據(jù)線，4位為地址線，4位為時(shí)序控制線。

　　MCX314是寄存器控制型芯片，對(duì)其所有操作都基于寄存器的讀/寫，按照其發(fā)送時(shí)序，先發(fā)送地址，后讀取數(shù)據(jù)，其基本讀/寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

　　讀8位寄存器函數(shù)(寫寄存器函數(shù)與其類似，只需寫完置位P7)：

　　MCX314內(nèi)部寄存器均為16位，基于以上讀8位寄存器函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀16位寄存器函數(shù)(寫寄存器函數(shù)類似)：

　　由于程序分別在串口中斷與主函數(shù)處理指令過(guò)程中調(diào)用MCX314讀/寫寄存器函數(shù)，可能導(dǎo)致函數(shù)重入，造成寄存器讀/寫數(shù)據(jù)紊亂，因此在函數(shù)內(nèi)部定義標(biāo)志位，設(shè)計(jì)讀/寫函數(shù)為原子操作，防止函數(shù)重入。

　　基于以上讀/寫寄存器函數(shù)可對(duì)MCX314進(jìn)行一系列操作控制，包括寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)指令與插補(bǔ)指令。在本設(shè)計(jì)中，寫入數(shù)據(jù)及讀取數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示;驅(qū)動(dòng)指令用于鉆孔運(yùn)動(dòng)與啄鉆運(yùn)動(dòng);插補(bǔ)指令用于限定牙距的螺絲攻牙運(yùn)動(dòng)。通過(guò)上述指令實(shí)現(xiàn)以下系統(tǒng)操作函數(shù)，即運(yùn)動(dòng)芯片初始化函數(shù)、原點(diǎn)搜尋運(yùn)動(dòng)函數(shù)、定距手動(dòng)鉆孔函數(shù)、自動(dòng)鉆孔函數(shù)、啄鉆函數(shù)、手動(dòng)攻牙函數(shù)、自動(dòng)攻牙函數(shù)等。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　利用Modbus串口協(xié)議開(kāi)放、透明、開(kāi)發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片的高精度可控性，以及編程方便的總線接口方式，設(shè)計(jì)出成本低、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)交互界面友好的觸摸屏自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)。本系統(tǒng)對(duì)位置與速度控制可分別精確至1×10-3mm與1×10-3mm/s，最高速度分別為4 000 mm/s與4 000 rad/s，最大鉆孔深度可達(dá)8 000 mm，達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行自動(dòng)鉆孔或螺絲攻牙的性能指標(biāo)，并在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)初步測(cè)試，工作穩(wěn)定。由于Modbus協(xié)議具有網(wǎng)絡(luò)控制能力，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中可并聯(lián)多個(gè)鉆孔系統(tǒng)共用一個(gè)觸摸屏，通過(guò)觸摸屏同時(shí)控制不同系統(tǒng)進(jìn)行不同操作，或者采用廣播模式控制多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同一操作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低成本和自動(dòng)化。