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。