（控制理论与控制工程专业论文）开放式交流伺服驱动系统网络接口技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文提出一种，豫式交流伺服驱动系统的设计思想。此处所指的开放性主要 有两层含义：一是针对交流伺服驱动系统内部体系，使其内部状态、参数、控制 结构等具备开放性，能够很好的与外界进行信息交换；二是从多种设备构成的体 系出发，增强设备之间的互操作性，即用a 公司的设备控制b 公司的设备，使 得不同制造商的产品能连接到同一网络上，实现交互式控制。 开发设计具有标准现场总线的通讯接口，是实现上述开放性的基础。目前设 计了两种现场总线接口：一种是简单实用的r s 2 3 2 4 8 5 + m o d b u s 协议串行接 口；另一种是高效可靠的基于d e v i c e n e t 协议的c a n 总线接口。参考标准的通 讯协议规范，从网络层次、信息帧格式和网络管理等方面着手，在深刻理解和分 析洳议规范的基础上，实现了上述两种现场总线接口。 实验结果表明该设计思想是正确的，通过通讯接口可以使设备连接到标准现 场总线网络上，为实现设备的全开放性提供了研究平台。 文中首先介绍了伺服系统的开放性及其意义，探讨了现场总线技术的发展和 交流伺服驱动系统的发展，提出了数字式交流伺服驱动系统的总体设计方案，重 点分析上述两种现场总线接口的协议规范的具体实现，给出实验调试平台和实验 结果，最后得出结论并对后续工作提出展望。 关键词：交流伺服驱动系统开放性网络接口现场总线m o d b u s 协 议d e v i c e n e t 协议 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g no fo p e na r c h i t e c t u r ea cs e r v od r i v i n gs y s t e mi sp r o p o s e d “o p e n c o n c e p t i nt h i sp a p e rh a st w o m e a n i n g s t h e o n ei st h a ti n t e r n a ls t a t u s ，p a r a m e t e r sa n d c o n t r o l l e rs t r u c t u r eo fa cs e r v od r i v i n gs y s t e ma r eo p e nf o rc u s t o m e ra n dt h es y s t e m c o u l de x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nw i t ho t h e rd e v i c e sw e l l t h ea n o t h e ri s t h a tt h e s y s t e m i t s e l fc o u l db ei n t e r - o p e r a t e dw i t ho t h e rd e v i c e sf o rt h ew h o l ei n d u s t r i a l n e t w o r k s y s t e m ，w h i c hm e a n s d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sp r o d u c t sc o u l dc o n n e c to nt h e s a m en e t w o r ka n dt h es y s t e mf r o mc o m p a n ya c o u l db er e p l a c e dw i t ht h eo n ef r o m c o m p a n y b t h ed e s i g no ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n sl i n k sb a s e d0 1 1s t a n d a r dp r o t o c o li st h e b a s i cs t e pt or e a l i z e “o p e n ”s y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t w os e r i a lc o m m u n i c a t i o n s l i n k sh a v eb e e n a c c o m p l i s h e d o n e i st h e s i m p l e ，p r a c t i c a l a n dr e l i a b l e c o m m u n i c a t i o nl i n kb a s e do nr s 2 3 2 4 8 5a n dm o d b u sp r o t o c 0 1 t h eo t h e ri st h e h i g h - e f f i c i e n t a n dc o s t e f f e c t i v ec a ni n t e r f a c eb a s e do nd e v i c e n e tp r o t o c 0 1 a c c o r d i n g t os t a n d a r dc o m m u n i c a t i o n s p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n s ，t h i s t w os e r i a l c o m m u n i c a t i o n sl i n k sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，t h r o u g h d e e p l yu n d e r s t a n d i n g a n d a n a l y z i n g i nd e t n la b o u tt h o s e p r o t o c o l s t h ee x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g ni s r i g h t t h e d e v i c ec o u l db ec o n n e c t e dt os t a n d a r di n d u s t r i a ln e t w o r kb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n s l i n k s ，w h i c hp r o v i d et h er e l i a b l er e s e a r c hp l a t f o r mt or e a l i z ef u l l yo p e na r c h i t e c t u r e a cs e r v o d r i v i n gs y s t e m a b o u tt h ed i s s e r t a t i o ns t r u c t u r e ，t h e “o p e n ”a n di t sm e a n i n ga r ei n t r o d u c e d f i r s t l y ， a n dt h e nt h ed e v e l o p i n gt r e n do ff i e l db u st e c h n o l o g ya n da cs e r v od r i v i n gs y s t e mi s p r e s e n t e d s e c o n d l y , t h e t o t a l d e s i g ns c h e m ea b o u ta cs e r v od r i v i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e d t h i r d l y , t h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft h o s e t w oc o m m m f i c a t i o n sl i n k si s d e s c r i b e do v e r a l la n dd e b u gp l a t f o r m sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed i s p l a y e dw e l l l a s t l y , t h ec o n c l u s i o n i sm a d ea n dt h ef u t u r ew o r ki ss u g g e s t e d k e y w o r d s ： a cs e r v o d r i v i n gs y s t e m ，o p e na r c h i t e c t u r e ， s e r i a l c o m m u n i c a t i o n sl i n k s ，f i e l db u s ，m o d b u s p r o t o c o l ，d e v i c e n e tp r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中阻明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黄如乏 日期：a 神中年弓月赢箩目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：黄憾 日期：跏争年3 月盘5 日 指导教师签名：歹 叶扬 日期：矽中年孑胃矽妇 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1伺服系统的开放性及其意义1 1 q l 丌放性有多种含义，取决于不同的时期和应用，它可能指软硬件之间的标准 互联，也可能指跨平台编程的维护和易伸缩性，包括联网、编程环境和架构。 西门子自动化与驱动集团p c b a s e d 自动化经理m i c h e lj a b b o u r 认为：开放可 能意味着使用标准编程语言，意味着与o p c 等平台的标准通信；开放还意味着 o e m 厂商能够把定制c + + 代码集成到控制平台、和多设各级网络通信、甚至把 p l c 核作为应用程序接口( a p i ) 并把它嵌入选用的操作平台。 另一方面，开放允许在网络、工作站和操作系统等系统领域采用商用信息技 术而不是专有技术，a b b 公司i n d u s t r i a li t 系统市场部副总裁b o bh a u s l e r 这样 认为。曾经为厂商专有的通讯标准现在对所有人开放，“允许用户轻松地集成信 息，而且不需要价格昂贵、维护困难的定制软件接口”。 开放已经超越了控制器的操作系统、网络协议或软件架构的范畴。a u t o m a t i o n d i r e c t 公司p l c 与i o 产品经理p a u lr u l a n 说：“开放的控制产品还包括网络物 理层中的组件、c a t 5 电缆、r j 4 5 型以太网接口、d b 9 和d b 2 5 串行连接器”。 开放还意味着能够从多家厂商购买到多种产品并让这些产品在应用中无缝 地工作，这是r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司s o f t l o g i x 业务经理m i k e m i c l o t 的观点， 这要求各种产品容易被所有用户买到，而且可以从自动化产品供应商获得不只一 个技术来源。 有些技术虽然不开放，但是可以和开放技术相连接，s c h n e i d e re l e c t r i c 自动 化业务网络主管d i e g oa r e c e s 这样认为。“尽管p l c 现在不开放，但是和p l c 一 起使用的工具逐渐开放，如m o d b u st c p i p 、互联网和以太网等。用户需要开放 的解决方案，但是对什么是开放的多种多样的解释造成了许多混乱。开放技术是 免费的，人们可以方便地获取关于开放技术的信息而不必向哪个公司付费或参加 什么组织。” 华中科技大学硕士学位论文 自动控制系统一直在随时间发生稳定的变化。p h o e n i xc o n t a c t 自动化系统市 场经理l a r r yk o m a r e k 说：“其目标是用户能够立即互连任意自动化设备，而且 不必重新编程就能让他们受任意厂商的控制软件的控制。工业自动化一直在沿这 个方向发展。” 本文所指的开放性，一方面是指将交流伺服驱动器的内部状态、控制参数、 控制结构等开放出来提供给用户，使用户能够清楚地看到系统的整个控制体系架 构，可方便地查看控制器的内部状态、修改各个参数、重构控制器结构等；另一 方面是指实现与不同厂商设备之间的互操作性。 传统的伺服驱动系统采用的是一种孤立的封闭式结构，整个系统对用户而言 就相当于一个“黑盒子”，用户对系统的内部状态和控制参数等无法了解，只知 道它的外特性。而且设备之间是相互孤立的，无法实现设备之间的协调控制。 如果在“黑盒子”上打通一个消息通道，通过这个消息通道就可以将其内部 信息传达出来，从而“黑盒子”也就变成了“白盒子”，原先封闭的系统也就变 成了开放的系统。这一消息通道就是一种网络接口，通过这一接口还可将原先单 个孤立的设备连成一个网络控制系统，也就是目前人们常说的现场总线控制系统 ( f c s ，f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。在这一系统中，每个设备都具备开放性，各 个设备之间具有互操作性，通过主站( m a s t e r ) 实现对多个从站( s l a v e ) 的协调 控制，达到孤立、分散的驱动器无法实现的操作要求。 1 2 现场总线技术的发展及其特点o w 】 以德法为首的欧洲最先提出了现场总线( f i e l db u s ) 的概念并大力投入研究， p r o f i b u s ( 德) 和w o r l d f i p ( 法) 是在欧洲最具影响力的两大现场总线，美国随 后也迅速参与竞争，由现场总线基金会推出的基金会现场总线( f f ) 在美洲流行， 形成了从8 0 年代持续至今的现场总线技术群雄割剧的战国局面。根据国际电工 委员会i e c 6 1 1 5 8 的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自动控制装置之间的数字式、双向、串行、多点通讯的数据总线。 如今，现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线 的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未 华中科技大学硕士学位论文 能提出个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采 用。同时，证由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘 格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。现场总线要实现现场通 信网络与控制系统的集成，其本质即要实现在现场通信网络、现场设备互连、互 操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互联网络等功能，这也为工厂生产的 全面自动化和远程控制奠定了基础。 以太网也已渗透到现场总线领域。国际上已经成立了工业以太网协会， o d v a 国际组织将工业以太网标准定义为e t l l e l t l e v i p 。许多大公司纷纷推出的现 场总线以太网解决方案，p c 。b a s e d c o n t r o l 系统正迅速得到推广。从概念上来说， 咀太网进入现场总线就是现场以太网，仍应归于现场总线的范畴。目前看来，以 太网应用于现场控制，有其优势和发展空间，美国n e ts i l i c o n 公司已经推出 l o 1 5 美元的工业以太网通信接口芯片。t c m p 协议与以太网的结合成为最成功 的网络总线模式，现在t c p i p 已经成为网络通信的最通用的协议。但是由于互 联网结构固有的复杂性，按t c p ，i p 协议传输数据需附加的数据量很大，传输大 数据块时爿唷较高的效率，而对于传输通常较简短的控制信息、网上对话信息等， 则传输过程的绝大部分时间用在附加数据上，技术上称为协议效率( p r o t o c o l e f f i c i e n c y ) 低。对于现场应用来说以太网协议效率低的问题，仍可能是未来应 用中的制约因素。 目前，较为流行的现场总线主要有：p r o f i b u s 总线、b i t b u s 总线、基金会 现场总线( f f ) 、s e r c o s 总线、l o n w o r k s 总线、m o d b u s 总线、c a n 总线以及 由c a n 总线演变而来的d e v i c e n e t 、s d s 、c a n o p e n 、c a nk i n g d o m 等。 现场总线采用了三层网络结构物理层、数据链路层和应用层。流量控制 和差错控制在数据链路层执行。报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。这 种网络结构具有结构简单、执行协议直观、价格低廉、性价比高等优点。与传统 的集散控制系统相比，现场总线在技术上有以下特点： 1 开放式的互联网络 现场总线是一种开放式的网络体系，通讯协议一致公开，世界上任何遵守相 3 华中科技大学硕士学位论文 同标准协议的设备都可以互连，相互交换信息。利用网络数据库共享技术，通过 网络对现场设备和功能模块统一组态，用户就可以天衣无缝地把不同厂商的网络 设备融为一体，构成统一的随意大小的现场总线控制系统。这简化了系统的集成， 极大地方便了用户。 2 较强的实时性 现场总线上所传输的信息大多数是面向控制的信息，而且信息所占字节数 短，有效信息含量高，非常适合于实时性要求高的场合。 3 彻底的分散控制 现场总线将控制功能和诊断功能下放到网络底层的现场网络节点，做到彻底 的分散控制，提高了系统的控制灵活性、自治性和可靠性，并减轻了控制站c p u 的负担。 4 现场设备智能化 现场总线技术将专用的微处理器置入现场设备节点，仅靠设备即可完成自动 控制的基本功能，并可随时获取现场设备的各种状态和诊断信息，实现实时系统 的监控和管理。 5 对环境的适应性 现场总线是专为现场环境设计的，同一网络里可以混合使用双绞线、同轴电 缆、射频、红外线、电力线等多种通讯介质，并使用数字通信信号，抗干扰能力 强，还能采用两线制实现供电和通讯，满足本质安全防爆要求。 由于现场总线具有以上特点，使现场总线系统结构简化，在控制系统的设计、 安排、调试、正常运行及其检修维护等方面，都体现出相当的优越性。 1 3 交流伺服驱动系统的发展状况 随着电力电子技术、控制技术、网络技术、计算机技术的发展，交流伺服驱 动系统也获得了前所未有的发展机遇。首先，电力半导体器件和微电子半导体技 术的发展使交流伺服驱动系统进入了全数字化时代；第四代i g b t 的出现，使电力 半导体的性能大大提高：微处理器的迅速发展使得伺服控制器的运算速度、多功 能处理能力得以提升，性能得以提高，并为产品的小型化和全数字化创造了良好 4 华中科技大学硕士学位论文 的硬件环境；现代控制理论的发展，各种新算法软件的出现，使得交流伺服在全 数字化环境下，实现软化伺服控制成为可能；现场总线技术的异军突起，各种开 放式网络协议的提出，使得交流伺服驱动系统的开放性和网络化控制得以实现。 2 0 世纪9 0 年代以来，发达国家开始以全数字交流伺服系统取代模拟式交流伺 服系统，同时关于开放式网络化的交流伺服驱动系统的研究已略显成熟。如： s i e m e n s 公司的驱动产品采用了p r o f i b u s d p 现场总线网络；i n d r a m a t 公 司也采用了p r o f i b u s 、s e r c o s ( s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 网络技术；日本三洋电机( s a n y od e n k i ) 公司则通过合并美国 a u t o m a t i o ni n t e l l i g e n c e 公司得到了d e v i c e n e t 和s e r c o s 技术，于19 9 9 年年底推出了网络化的交流伺服产品，如p vi n d e x i n g 伺服系统；美国 r o c k w e l la u t o m a t i o n a l l e n - b r a d l e y 公司的变频器、p l c 、传感器、条形码阅读器、 i o 装置和人机界面等一系列产品都具有d e v i c e n e t 网络接口。据悉，b o s c hr e x r o t h a g ( 德国) 和松下电机公司( 日本) 于2 0 0 2 年达成协议，共同开发和生产交流 伺服驱动产品，集中力量在开放式通讯控制等创新产品上。 总之，未来的交流伺服驱动系统将向数字化、模块化、智能化、柔性化、开 放化、网络化、信息化及节能环保型方向发展。 1 4 本文的研究工作 本文致力于研制和开发数字式交流伺服驱动系统的两种网络接口：一种是简 单、方便、实用的r s 2 3 2 4 8 5 接口+ m o d b u s 通讯协议，主要完成通讯功能模块的 设计；另一种是离效、可靠的基于d e v i c e n e t 总线技术的c a n 总线接口，主要 完成从设备的通讯协议功能，实现标准的d e v i c e n e t 接口，能够挂到r o c k w e l l 自动化的设备网上，用r o c k w e l l 的主设备对其进行网络化控制。 华中科技大学硕士学位论文 第二章数字式交流伺服驱动系统总体设计方案 2 1 数字式交流伺服系统总体方案阻1 本文提出的数字式交流伺服系统设计方案采用a d m c 4 0 1 + f p g a + 单片机的 硬件结构，充分利用了d s p 的高速运算能力和片内外设资源，有效地简化了硬 件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑，对系统的控制任务进行了细致的整合和 划分，既保证了伺服控制的实时性，又利于扩展各种现场总线通讯接口，从而提 高系统的开放性、通用性和透明性。其硬件结构图如下所示。 器ll 电路 2 。2 。0 v网f 蜷电硼l ! _ il _ d 1 1 r $ 2 3 2 串行口 5 l 系列 单片机 键盘及 是示 嚣尔元件 f p g al 一一a d m c 4 0 1 i o 控制脉冲输 入接口 图2 - 1 数字式交流伺服系统硬件结构图 模拟量 接口 光电编码器 从图2 一l 可看出，系统主要由以下几部分组成：伺服控制中心a d m c 4 0 1 ： 外设接口f p g a + 5 1 系列单片机；主电路以及开关电源电路。以下对这3 个部分 分别加以说明。 ( 1 ) d s p 芯片a d m c 4 0 1 的基本结构和功能 a d m c 4 0 1 是面向电机控制的高性能数字信号处理器，它采用1 6 位定点d s p a d s p 2 1 7 1 的内核，并将高性能d s p 内核与丰富的外设控制器集成于单片之中， 其主要特点如下： 兼容a d s p 2 1 x x 的特点，为单周期指令，指令执行速度为2 6 m i p s ( 指 6 眦器 h u口刍 华中科技大学硕士学位论文 令执行时间为3 8 5 n s ) ；3 个独立的计算单元( 1 6 位算术逻辑单元，4 0 位乘法器，3 2 位移位器) ，两个独立的数据地址发生器； 具有高效率的多功能指令，最多可以在一个指令周期内执行3 条指令； 存储器结构：2 k 2 4 位片内可编程程序r a m ，2 k x2 4 位片内程序r o m ( 管理芯片的加载和通讯) ，1 k x1 6 位片内数据r a m ，具有1 4 位地址 总线和2 4 位数据总线，可进行外部存储器扩展： 具有自动加载能力，d s p 在系统复位后，可以从外部e p r o m 或e e p r o m 自动将程序和数据加载到内部r a m 中高速运行。 和电机控制有关的结构特点： 片内集成了高精度8 位通道a d 转换器( a d c ) ，a d m c 4 0 1 采用了“管 道爆发式”a d 转换结构，具有1 2 位的转换精度，支持两通道同步采样 和顺序采样，转换时间小于2 i xs ，转换启动可以由内部p w m 同步信号 或外部引脚信号控制； 片内集成了三相1 6 位p w m 发生器：可编程设定开关周期、死区时间、 最小脉宽限制时间，有单刷新和双刷新两种模式，可产生对称和非对称 p w m 波形、空间矢量p w m 波形，p w m 输出可被外部引脚或软件编程 封锁，有较强的故障保护能力； 片内增量式编码器接口单元( e i u ) ：具有可编程的脉冲输入滤波器，可 以实现倍频、辨向、计数等功能，并配合有专门的编码器事件定时器， 可以方便地实现m t 法速度检测，为高性能电机控制提供高精度的位置 和速度反馈； 1 2 个可编程i o 端口；2 个8 位辅助p w m 输出；2 通道事件捕获单元； 1 6 位看门狗定时器。 a d m c 4 0 1 是整个伺服系统的核心，具有高速的运算能力、较高的采样精度， 外设配置性能和功能较强，能胜任实时性要求高的伺服控制任务。本系统用它来 实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及p w m 信号发生、各种故障保 护处理等。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统外部接口电路设计 为了实现伺服系统的快速实时控制，系统在设计上采用了单片机+ d s p 的双 c p u 结构，这是基于以下考虑：a d m c 4 0 1 内部只有2 k x 2 4 位的程序空间，如 果要运行较大的程序就必须在外部扩展r a m 空间，但这样会降低系统抗电磁干 扰的能力；另外，由于a d m c 4 0 1 采用的同步串行接口，虽然可以达到很高的传 输速度，但和具有通用异步串行接口的外设进行通讯时就不太方便，因此，在设 计时将系统控制任务进行了划分：d s p 完成实时性要求高的伺服控制任务，单片 机完成实时性要求比较低的管理任务，单片机和d s p 之间的通讯采用并行数据 方式，由f p g a 实现。同时，f p g a 还要完成外部i 0 信号管理、位置脉冲指令 信号处理及计数、故障信号处理等功能，这种d s p + f p g a + 单片机的控制结构设 计将系统的软硬件功能进行了有效的整合，使系统可以支持位置脉冲输入、模拟 速度输入、模拟转矩输入，能方便地进行各种网络接口的扩展，提高系统的开放 性、通用性和透明性。 ( 3 ) 主电路及开关电源电路 伺服系统的主回路逆变器采用智能功率模块p m 3 0 c s j 0 6 0 。该模块采用3 0 a 6 0 0 vi g b t 功率管，内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠 电压等故障检测保护电路。同时系统设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲 击。在系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、 光电编码器反馈断线、通讯故障等保护，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现 保护信号，通过软件或硬件逻辑立刻封锁p w m 驱动信号。系统采用磁平衡式霍 尔电流传感器l n p 一2 5 ，采用两相电流反馈f 。、i 。获得实时的电流信息。系统的 控制电源采用开关电源供电，开关电源功率丌关器件选用t o p 2 2 4 。对于伺服电 机光电编码器的供电电源，考虑其反馈信号线上的电压降可i i i i 较大，会影响到 反馈信号的可靠性，因此采用带反馈调节的d c d c 变换器单独供电。 2 2 数字式交流1 1 1 1 驱动系统网络接口 网络接口是实现系统开放性的一条渠道，就如同一扇窗户或一扇门一样，通 华中科技大学硕士学位论文 道打开了，消息才能发出去。因此，可以说网络接i s 的开发是实现系统开放性的 基础。针对目前现场总线标准的非统一性，开发设计具有多种现场总线接口的伺 服系统是很有必要的，这样可以满足不同用户的需求，达到通过应用定制不同控 制系统的目的。 针对目前在电气传动领域中较为流行的几种现场总线，本文研制和设计两种 现场总线网络接口：一是基于m o d b u s 办议的r s 2 3 2 4 8 5 串行接口；二是基于 d e v i c e n e t 协议的c a n 总线接口。功能模块图如下所示。 m c u 外设管秤 包括键盘 盟示和通 讯接口等 f p g a 实现取口r a m 等 d s p 伺服控制单 i g b t 功率模块 i 匝田卫 i ! 竺! 竺! | ( 键盘显示单元) r s 2 3 2 4 8 5 接e l ( m o 曲u s 协议) c a n 总线接口 ( d e v i e e n e t 协议) m o t o r 码盘 r s 2 3 2 4 8 5 总线+ m o d b u s 协议d e v i c e n e t 总线 图2 2 扩展多种网络接口的伺服系统结构图 针对每种现场总线将分别设计不同的通讯模块，用户可根据自身的实际需要 选择合适的通讯模块连接到相应的现场总线上。 华中科技大学硕士学位论文 第三章基于m o d b u s 协议的r s 2 3 2 4 8 5 串行接口设计 3 1m o d b u s 协议概述口“” m o d b u s 协议是1 9 7 9 年m o d i c o n 公司( 即现在的s c h n e i d e r 自动化公司) 推出的一种串行通讯协议，用于实现智能设备之间的通讯，如使用p c 机和人机 接口( h m i ) 来监视现场设备并对设备进行在线编程，实现智能设备和传感器、 测量仪器之间的通讯等。m o d b u s 有两种通讯方式：主从方式和客户端服务器 方式，主从方式主要用于r s 2 3 2 4 8 5 总线，而客户端朋艮务器方式主要用于以太 网。m o d b u s 是一种全开放的网络协议标准，不仅在加工制造业获得了广泛应 用，而且在楼宇自动化、基础设施建设、交通以及能源等方面也发挥出作用。 l a y e r i s o ，o s im o d e lr $ 2 3 2 4 8 5e t h e r n e t 7 a p p l i c a t i o n m o d b u s a p p l i c a t i o np r o t o c o l 6p r e s e n t a t i o n无 m o d b u so i lt c p 5s e s s i o n无 4 t r a n s p o r t 无t c p 3n e t w o r k无i p 2d a t al i n km o d b o sm a s t e r s i a v ep r o t o c o le t h e m e ti i ，8 0 23 1 p h y s i c a l e 1 a 厂r i a 一2 3 2o r4 8 5e t h a r n e tp h y s i c a ll a y e r 表3 - 1m o d b u s 协议与i s o o s i 参考模型的层次对照表 由上表的比较可看出，m o d b u s 针对不同的传输介质分别有两种通讯协议， 一种是针对r s 2 3 2 4 8 5 串行接口的主从协议( 也称为s e r i a ll i n ep r o t o c 0 1 ) ，是 m o d b u s 最早提出的也是最成熟的串行通讯协议，对应于i s o o s i 参考模型的 数据链层；另一种是针对以太网的m o d b u st c p i p 协议，它是在原有t c p 协 议层上再增加一层m o d b u so i lt c p ，以实现应用层协议和t c p 协议之间的信 息传递。可以看出，无论采用何种传输介质，应用层协议都是相同的。 本文采用的是r s 2 3 2 4 8 5 串行接口的主，从通讯协议。以下所指的m o d b u s 通讯协议，如未事先说明，均指该主从通讯协议。 3 2m o d b u s 协议规范口”1 华中科技大学硕士学位论文 m o d b u s 在r s 2 3 2 4 8 5 总线下通讯采用主从( m a s t e r s l a v e ) 方式，且只有 一个主机，从机可有多个( 最多2 4 7 个) 。在这种工作方式下，主机首先发送请 求或命令信息，从机根据主机发送的信息完成相应的行为，要么返回请求的数据， 要么执行相应的操作。在通讯过程中，从机处于被动响应地位，只能接受主机的 控制，从机与从机之间不能直接通讯。主机向从机发送请求信息有两种方式： ( 1 ) 单播方式( u n i c a s tm o d e ) ，此方式下主机和某一从机之间建立通讯， 从机接收并处理主机发送的请求信息之后，回送一响应信息给主机， 即采用请求一应答的通讯方式。每个从机必须有一个独立的地址( 从 1 2 4 7 之间可选) 而且地址值不能相同。 ( 2 ) 广播方式( b r o a d c a s tm o d e ) ，该方式下，主机可将请求发送给所有从 机，从机不需要对此请求做出应答。在发送写命令时，广播方式是有 必要的，可以大大提高系统的执行效率，因此，所有设备都支持广播 方式的写命令请求。0 号地址为广播地址，所有从机都必须能识别广 播地址。 所有m o d b u s 设备使用的“公共语言”是m o d b u s 协议，该协议定义了 一个标准信息帧，对信息的内容和每个字节甚至每一位所代表的含义都定义了详 细且统一的格式规范，所有设备都能识别和使用该信息帧，不必考虑传输介质。 该信息帧描述了设备处理接收信息的过程，即如何对请求进行响应，如何检测和 汇报错误信息等。在网络通讯期间，m o d b u s 协议决定每个设备如何知道自身 的地址，如何识别发送给它的信息，将执行何种操作，以及提取信息帧中的其他 数据信息等。如要发送响应信息，设备将按照m o d b u s 协议的规定封装响应信 息并发送给主机。如果信息接收出错或无法完成主机的请求，从机将封装错误响 应信息帧并发送给主机。 3 2 1 地址规范 m o d b u s 的主机没有分配地址值，但从机必须要有地址值，为1 2 4 7 ，0 号地址作为广播地址。在同一网络上，从机的地址值是唯一的，不能出现具有相 同地址值的从机。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 ，2 帧格式 m o d b u s 应用层协议定义了一个简单的协议数据单元( p d u ) ，如图3 - 1 所 示，该协议数据单元不依赖于下面的通讯层。 m o d b u sp d u 图3 - 1m o d b u s 协议数据单元( p d u ) i 斗 m o d b u ss e r i a ll i n ep d u 图3 - 2m o d b u s 帧格式 m o d b u s 协议规范所定义的帧格式如图3 2 所示。m o d b u s 以地址场作为 帧的开始，地址场的内容为有效地址值( 0 2 4 7 ) ，主机在请求信息的地址场中 放置从机地址值以确定该请求信息的接收者，符合条件的从机接收到信息并完成 相应处理之后，在响应信息的地址场中放置自身的地址值，使主机知道是何从机 发送的响应。 地址场之后是功能码，它指示从机将完成何种操作。功能码之后是数据场， 数据场包含请求和响应的参数，根据功能码的不同，数据场的格式、长度以及含 义也有所不同。 校验码是用来验证信息的有效性，保证信息传送的可靠性。根据传输模式的 不同有两种校验方式，一种是l r c ( l o n g i t u d i n a lr e d u n d a n c yc h e c k ) 校验，另 一种是c r c ( c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ) 校验。 3 2 3 传输模式 m o d b u s 协议有两种串行传输模式：a s c i i 模式和r t u ( r e m o t et e r m i n a l u n i t ) 模式，不同的模式具有不同的打包方式。在对设备进行配置时，必须保证 所有设备的传输模式及串行口通讯参数( 如波特率、奇偶校验等) 是相同的。 a s c i i 模式和r t u 模式只适合于标准m o d b u s 网络，如r s 2 3 2 4 8 5 总线， 这两种模式对串行线上传输的信息进行位定义，决定如何对信息帧进行打包和解 华中科技大学硕士学位论文 t | ! l 。 ( 1 ) a s c i i 模式： 该模式下，信息帧中的每8 位个字节的数据按2 个a s c i i 码发送，该模式 的最大好处在于：在没有错误发生的情况下，两个字符发送的间隔时间可长达1 秒。若间隔时间大于1 秒，接收设备则认为错误发生。 a s c i i 模式是面向字符的传输模式，以字符“：”( a s c i i3 a h e x ) 作为帧的 开始，以回车( c r l f ) 符( a s c l l0 da n d0 ah e x ) 作为帧的结束。其他部分的 字符为1 6 进制数0 ：9 ，a f ，除此之外的其他字符都为非法字符。网上设备监视 总线，当接收到“：”字符时，认为是一个信息帧的开始，接着接收地址场并判 断是否为发送给本机的信息，如是则继续接收其后信息，根据功能码及其附加信 息完成相应操作后，回送响应信息给主机。 a s c i i 模式下的信息帧格式为： is t a r t地址场功能码数据场l r c 校验码e n d f 1b y t e ( 一 2 b y t e s 2 b v t e s n b y t e s 2 b v t e s2b y t e s ( c r l f ) a s c i i 模式下，发送每个字节的格式为 f起始位数据位( 低位在前)奇偶校验位停止位 i 1b i t7b i t s 。 1b i to f n ob i t1b i to r2b i t ( n op a r i t y ) ( 2 ) r t u 模式： 该模式下，信息帧中的每8 位一个字节的数据按2 个4 位的1 6 进制码发送， 其最大好处在于：在相同波特率情况下，数据传输效率比a s c i i 模式高。 r t u 模式是面向比特的传输模式，以不少于3 5 个字符的空闲时间为帧的开 始，随后发送的是地址场，网上设备监视总线，当连续监视到3 , 5 个字符的空闲 时间后可以接收地址场信息，当判断接收到的地址场信息为有效时，继续接收其 后信息，然后根据功能码及附加信息进行相应操作，若要求有响应信息则封装响 应信息并发送给主机。最后发送的字节大约经过3 5 个字符的空闲时间后表示信 息帧的结束，新的信息帧可以发送。r t u 模式靠模拟的同步信息来保持帧同步， 整个信息帧必须作为连续数据流一次传送完。如果一个连续数据流在传送过程 中，接收设备检测到有1 5 个以上字符间隔时间，则认为一帧数据已经接收完， 华中科技大学硕士学位论文 并把下一个接收字符作为下一帧的开始。在正常情况下，信息帧之间的间隔时间 至少有3 5 个字符，即一帧数据发送完，至少要经过3 5 个字符的空闲时间才能 发送下一帧数据。 r t u 模式下的信息帧格式为 ls 1 、a r t 地址场功能码 数据场c r c 校验码e n d t 1 一t 2 一丁3 t 48b i t s8b i t sn * 8b i t si 6b i t st 1 1 1 2 t 3 ，t 4 r t u 模式下，发送每个字节的格式为： l型!l! 唑l ! 竺竺! ! 竺l ! 婴竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺堕l 显然，与a s c i i 模式相比，二者的差别只在于数据位个数不同。 3 2 4 功能码 功能码占2 个字符( a s c i i ) 或8 位( i 盯u ) ，其有效值为l 2 5 5 ，其中某些 适用于m o d i c o n 所有的控制器，另外一些只能用于特定的设备，还有一部分是保 留将来用的。在此仅列举本文使用的部分。 功能码( h e x )本文中的含义协议规范中的含义 0 3 h读参数r e a dh o l d i n g r e g i s f c r 0 4 h 读状态 r e a di n p u tr e g i s t e r 0 6 h写参数w r i t es i n g l er e g i s c c r 0 8 h 诊断功能 d i a g n o s t i c s 4 l h保存参数 4 2 h 伺服使能 4 3 h 清除报警 未定义 4 4 hj o g 运行 4 5 h 测试模式 4 6 h通讯结束 表3 - 2 功能码及其含义 通讯期间可能会发生各种异常及错误，为了使这些异常和错误能够被主机识 别，故定义了相应的异常码，如表3 3 所示。当从机接收主机的信息发现错误或 无法完成正常响应时，从机将向主机发送出错响应帧，即功能码字节的最高位置 1 ，数据场放置相应的异常码( e x c e p t i o n c o d e ) 。 f e x e e p t i o nc o d e ( h e x ) m e a n j 0 1 hi l l e g a lf u n c l l o n 1 0 2 hi l l e g a ld a q a a d d r e s s 14 华中科技大学硕士学位论文 0 3 hi l ，u 二g a l d a r a v a l u e 0 4 hs l a