Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №7

Применение SWITCH-технологии при разработке прикладного программного обеспечения для микроконтроллеров. Часть 7

Татарчевский Владимир


В предыдущей статье цикла [1] было начато рассмотрение реализации протокола Modbus на основе SWITCH-технологии. Мы кратко рассмотрели два режима работы протокола Modbus: ASCII и RTU, а также описали алгоритм передачи сообщения устройством(мастером в режиме ASCII. В этой статье мы продолжим описание реализации протокола Modbus на основе SWITCH-технологии.

Все статьи цикла:

Обобщенный алгоритм обмена данными по протоколу Modbus

Обобщенный алгоритм обмена данными между ведущим и ведомым устройством можно представить в виде, изображенном на рис. 1. В предыдущей статье было приведено краткое описание работы протокола Modbus. Сформулируем порядок работы ведущего (master) и ведомого (slave) устройств в краткой форме.

Обобщенный алгоритм обмена данными между ведущим и ведомым устройствами
Рис. 1. Обобщенный алгоритм обмена данными между ведущим и ведомым устройствами

Итак, ведущему устройству в процессе выполнения целевой программы (состояние 1.1 на рис. 1) потребовалось запросить данные удаленного модуля либо установить выходы удаленного модуля в определенное состояние. Ведущее устройство (далее ведущий или мастер) формирует сообщение Modbus, которое в общем случае содержит: адрес ведомого, код команды, дополнительные данные и контрольную сумму. Сформированное сообщение передается через UART микроконтроллера и физическую линию связи ведомому устройству (состояние 1.2). После передачи сообщения ведущий переходит в состояние ожидания ответа ведомого (состояние 1.3). Ведомое устройство, находящееся в состоянии ожидания команды ведущего (состояние 2.1) при поступлении данных в буфер UART переходит в состояние приема (состояние 2.2) и в случае успешного завершения приема переходит к декодированию и выполнению команды (состояние 2.3). После выполнения команды ведомое устройство формирует ответное сообщение, которое в общем случае содержит адрес ведомого устройства (то есть собственный адрес), код команды, дополнительные данные и контрольную сумму. Сформированное сообщение передается ведущему устройству (состояние 2.4), и после успешного приема ответа ведомого (состояние 1.4) ведущее устройство продолжает работу по основной программе, а ведомое переходит к ожиданию следующей команды. На этом транзакция Modbus завершается.

В предыдущей статье были упомянуты два режима работы протокола Modbus: ASCII и RTU. Напомним читателю, что в режиме ASCII сообщения передаются в виде текста, состоящего из чисел в шестнадцатеричной форме (символы '0'–'9', 'A'–'F'), сообщение начинается со «стартового» символа — двоеточия ':' и завершается «стоповой» последовательностью CR LF (возврат строки, перевод каретки, соответствующий код 0A 0D). При передаче допускаются паузы между символами продолжительностью до 1 с, в режиме RTU информация передается «как есть» в виде байтовых значений; специальные стартовые и стоповые символы отсутствуют; существенные паузы между отдельными байтами сообщения недопустимы, сами же сообщения разделяются паузами длительностью не менее 3,5t, где t — время передачи одного байта при данной скорости UART [2].

Эти различия между режимами ASCII и RTU имеют важные следствия:

  • Следствие 1. Так как для передачи одного байта информации в режиме ASCII требуется передать по линии связи два символа (то есть два байта), режим ASCII примерно в два раза медленнее, чем режим RTU (при одинаковой скорости UART).
  • Следствие 2. В силу того, что в режиме ASCII существуют особые «стартовые» и «стоповые» символы, программа может фиксировать начало и конец передачи с гораздо более высокой степенью достоверности, чем в режиме RTU, где единственным признаком конца передачи служит небольшая пауза.
  • Следствие 3. Так как в режиме RTU паузы между передачей отдельных байтов в сообщении недопустимы, это может вызвать некоторые трудности в программной реализации данного режима. Например, если передача сообщения прервана каким-либо обработчиком прерывания, устройство — приемник сообщения — сочтет эту паузу концом передачи со всеми вытекающими отсюда последствиями в виде несовпадения контрольной суммы, тогда всю транзакцию придется начинать заново. В результате в программу приходится вводить дополнительные механизмы, призванные обеспечить непрерывность передачи сообщения. В ряде случаев достаточно заблокировать прерывания на время передачи сообщения, если этого сделать нельзя, возможно отложить передачу на временной промежуток, в котором гарантированно не может возникнуть прерывание с длительной обработкой, способной нарушить процесс передачи сообщения.

Мы видим, что оба режима имеют свои преимущества и недостатки, и невозможно однозначно рекомендовать применение одного из них «на все случаи жизни». Наилучшим решением будет поддержка в разрабатываемом приборе обоих режимов протокола Modbus.

Вернемся к анализу рис. 1. Из него следует, что для полноценной поддержки Modbus в ведомом и ведущем устройстве нам необходимо реализовать два базовых алгоритма: передачу сообщения (состояния 1.2 и 2.4) и прием сообщения (состояния 1.4 и 2.2), причем каждый из них должен быть реализован в двух вариантах: для режима ASCII и для режима RTU. Алгоритм передачи сообщения ведущим устройством в режиме ASCII уже рассматривался в предыдущей статье, передача ответного сообщения ведомым устройством полностью аналогична, поэтому сейчас можно перейти к описанию приема сообщения в режиме ASCII (данный алгоритм также одинаков как для ведущего, так и для ведомого устройства). Конечный автомат, выполняющий прием сообщения Modbus в режиме ASCII, представлен на рис. 2. Его работа проста. В состоянии 1 обнуляется счетчик буфера I, и автомат ждет приема символа ':' (символ начала сообщения). В состоянии 2 каждый принятый символ записывается в буфер Data до получения символа LF (код хх), служащего признаком конца сообщения, после чего автомат переходит в состояние 3, в котором происходит проверка поля адреса сообщения. Для ведомого устройства это поле должно совпадать с адресом устройства. Если же прием осуществляется ведущим устройством, то есть сообщение является ответом ведомого на ранее посланную команду, в поле адреса должен содержаться адрес ответившего ведомого. Если это не так, то сообщение адресовано другому устройству, и автомат снова переходит в состояние 1 и ожидает начало следующего сообщения. Если же адрес совпадает, автомат переходит в состояние 4 «вычисление контрольной суммы». Если контрольная сумма совпадает с переданной в сообщении, прием сообщения считается успешно завершенным и автомат прекращает работу. Автомат также осуществляет обработку ряда нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при приеме сообщения. К таким ситуациям относятся следующие:

  • принят недопустимый символ (принятый символ не принадлежит множеству {'0'–'9', 'A'–'F', ':', CR, LF});
  • после приема символа, не являющегося завершающим (LF), прошло более 1 с;
  • размер буфера превысил максимально допустимый (константа BUF_SIZE на рис. 2);
  • не совпадает контрольная сумма.
Конечный автомат приема сообщения Modbus в режиме ASCII
Рис. 2. Конечный автомат приема сообщения Modbus в режиме ASCII

Возникновение ошибок такого рода при работе устройства свидетельствует о плохом качестве связи (сильные электромагнитные помехи, плохое экранирование, слишком большая длина линии связи, несоблюдение правил монтажа и т. п.). Появление ошибок может также свидетельствовать о некорректной работе передающего устройства. Обработка ошибок будет рассмотрена чуть позже, а сейчас перейдем к описанию алгоритмов передачи и приема сообщений в режиме RTU.

Передача и прием сообщений в режиме RTU

Передача сообщения в режиме RTU осуществляется простейшим образом (рис. 3): передающее устройство формирует сообщение (состояние 1), дожидается, в случае необходимости, освобождения буфера передатчика UART (состояние 2) и отправляет сообщение (состояние 3). Каких-либо нештатных ситуаций и ошибок здесь ожидать не приходится.

Конечный автомат передачи сообщения Modbus в режиме RTU
Рис. 3. Конечный автомат передачи сообщения Modbus в режиме RTU

Прием сообщений в режиме RTU (рис. 4) в целом аналогичен приему сообщения в режиме ASCII. Разница между ними состоит в следующем:

  • Переход из состояния 2 (помещение сообщения в буфер) в состояние 3 (проверка поля адреса) осуществляется не по приему завершающего символа, а по тайм-ауту, величина которого должна быть равна 3,5 длительности передачи одиночного байта.
  • Отсутствует проверка на допустимость символа, так как в режиме RTU все возможные коды в диапазоне 0…255 являются допустимыми.
  • Отсутствует ошибка тайм-аута, так как пауза между символами интерпретируется в данном режиме как признак завершения передачи сообщения.
  • Прием сообщения начинается при получении любого символа (переход из состояния 1 в состояние 2), так как специальный «стартовый» символ в режиме RTU отсутствует.
Конечный автомат приема сообщения Modbus в режиме RTU
Рис. 4. Конечный автомат приема сообщения Modbus в режиме RTU

В завершение обсуждения реализации протокола Modbus приведем обобщенные алгоритмы поддержки протокола для ведущего и ведомого устройства, детализирующие изображенный на рис. 1 порядок обмена данными.

Обобщенный алгоритм работы ведущего устройства Modbus

Обобщенный алгоритм работы ведущего устройства Modbus изображен на рис. 5. Перед тем как перейти к подробному обсуждению его работы, напомним читателю, что мы рассматриваем алгоритмы в рамках SWITCH-технологии как конечные автоматы, выполняющиеся поочередно в главном цикле программы, аналогично тому, как выполняются задачи (потоки) в операционной системе с кооперативной многозадачностью. Поэтому автомат можно считать аналогом потока и представить себе, что все такие автоматы-потоки выполняются параллельно. На рис. 5 изображен именно такой автоматпоток, который выполняется параллельно с основной программой контроллера и обслуживает ввод/вывод сообщений по протоколу Modbus. Работа автомата управляется двумя сообщениями «извне»: «начать транзакцию» — сообщение от основной программы (предполагается, что посылка Modbus формируется и размещается в буфере передачи основной программой) и «начало приема» — сообщение, которое сигнализирует о поступлении символа в приемный буфер UART и формируется соответствующим обработчиком прерывания UART. Итак, поток после инициализации UART (состояние 1) переходит в состояние ожидания 2. Как только основная программа отдает команду на начало транзакции, автомат переходит в состояние 3, в котором происходит передача сообщения (в этом состоянии «заключен» один из рассмотренных выше алгоритмов передачи сообщения в режиме ASCII либо RTU). После передачи сообщения контроллер ожидает ответа ведомого устройства (состояние 4). Ожидание ответа ограничено по времени и обычно не превышает нескольких секунд. При поступлении первого символа ответного сообщения в буфер UART автомат переходит в состояние 5 (в этом состоянии размещен один из рассмотренных выше алгоритмов приема сообщения). При успешном приеме сообщения транзакция считается завершенной, и автомат переходит в состояние 2, ожидая следующей команды основной программы. При возникновении ошибки при приеме автомат выдерживает паузу (состояние 6) и повторяет передачу сообщения (состояние 3). Можно обратить внимание на то, что между состояниями 5 и 6 на рис. 5 изображено состояние 7 «обработка ошибок». В принципе, протокол Modbus не предусматривает какой-либо специфической обработки ошибок в принятых сообщениях (в случае возникновения ошибки при приеме ведущее устройство должно просто повторить передачу команды). Однако мы можем ввести в программу устройства, например, журнал ошибок, причем с подразделением причин возникновения той или иной ошибки (несовпадение контрольной суммы и т. п.). Наличие такой информации может быть очень полезно при отладке системы. Например, наблюдая за интенсивностью возникновения ошибок в канале связи, мы можем подобрать оптимальную скорость передачи данных в сети Modbus.

Обобщенный алгоритм работы ведущего устройства Modbus
Рис. 5. Обобщенный алгоритм работы ведущего устройства Modbus

Обобщенный алгоритм работы ведомого устройства Modbus

Обобщенный алгоритм работы ведомого устройства Modbus изображен на рис. 6. Он похож на соответствующий алгоритм ведущего устройства, с той лишь разницей, что операции происходят в обратном порядке: сначала принимается сообщение (состояние 2), затем, после декодирования команды, ее исполнения и формирования ответного сообщения (состояния 3–5) происходит передача ответа ведущему устройству. Отличие заключается и в том, что при возникновении ошибки приема ведомое устройство не обязано посылать ответное сообщение, оно просто должно дождаться, когда мастер передаст команду повторно. Состояние 7, как и в предыдущем случае, не является обязательным, но весьма полезно при отладке.

Обобщенный алгоритм работы ведомого устройства Modbus
Рис. 6. Обобщенный алгоритм работы ведомого устройства Modbus

На базе SWITCH-технологии могут быть реализованы и другие протоколы передачи данных [3, 4].

В следующей статье будет рассмотрена реализация на основе SWITCH-технологии ряда алгоритмов, полезных при разработке программного обеспечения для микроконтроллеров.

Автор выражает глубокую благодарность Анатолию Абрамовичу Шалыто за замечания и научное редактирование статьи.

Литература

  1. Татарчевский В. А. Применение SWITCH-технологии при разработке прикладного программного обеспечения для микроконтроллеров. Часть 6. Реализация протокола Modbus // Компоненты и технологии. 2006. № 4.
  2. Modicon Modbus Protocol Reference Guide. MODICON, Inc., Industrial Automation Systems, 1996.
  3. Жданов А. Д., Коломейцева Т. М., Шалыто А. А. Реализация надежного протокола передачи данных. http://is.ifmo.ru
  4. Агафонов К. А., Порох Д. С., Шалыто А. А. Реализация протокола SMTP на основе SWITCH-технологии. http://is.ifmo.ru

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке