基于MODBUS协议的多轴控制系统设计

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随着科学技术和现代工业的发展，在工程自动控制系统中，系统变得越来越复杂，不仅需要多个变量来描述-个系统，而且常常需要同时控制多个变量。例如，电子装备在实际运动过程中，通常有多个运动轴按照预先设定的运动参数进行联动，提出的多轴控制系统就是以在这种应用背景下开发的，这种系统结构简单，性能稳定，成本低廉，可广泛应用于多轴联动的工业设备控制系统中，具有很好的可移植性和经济性。

2系统总体设计运动系统包括 轴、y轴伺服电动机组成的工作台，-个360。旋转的 轴伺服电机控制平台，-个垂直运动的 z轴伺服电动机控制机构，-个步进电动机控制送胜 线装置，-个直流电机控制的铝线盘旋转机构，这 6个轴电动机共同完成超声波铝线自动邦定机的运动控制功能，整个过程要求高速、准确、精密。为此，设计了-块以C8051F020和 PCL6045BL为核心的运动控制卡，辅以-些外围电路完成这六个轴的联动控制。利用工控机作为上位机，运动控制卡作为下位机 ，采用 MODBUS协议，通过 RS-232进行点对点通讯，通讯模式为RTU，附加CRC校验。上位机发送读线圈(功能码 01)，写线圈(功能码 05)，读保持寄存器(功能码O3)，写寄存器(功能码 06)四个命令完成对单片机 10口、寄存器的读写功能。下位机的程序负责对主机的命令进行响应，并将对应的数据发回上位机。

3系统的硬件构成运动控制卡硬件设计既要满足系统的功能要求 ，又要保证实时性、可靠性和抗干扰性能。总体结构，如图1所示。

3.1 C8051 F020单片机系统应用在工业现场通常需要控制大量的外部设备，系统选取 C805 1 F020处理器作为下位机控制拈的核心，下位机硬件结构图，如图 1所示。它是 C0851F系列中功能较全的-款，此处理器采用 3.3V电压供电，功耗极低 ，具有 64kbytes的可编程Flash，4kbytes的SRAM，支持大量的程序代码；具有64个数字10引脚，足以控制系统所需的模拟和数字外设；内部有优先权交叉开关译码器，或称为交叉开关”，按照优先权顺序将端口引脚分配给器件上的数字外设(如UART，PCA，定时器等)。同时，单片来稿日期：2012-04-12基金项目：国家科技重大专项资助(2012zx021O20O3)作者简介：刘学平，(1965-)，男，安徽人，博士，主要研究方向：绿色制造工业设备2 刘学平等：基于MODBUS协议的多轴控制系统设计 第2期机内部有8通道 l2位ADC和DAC，在进行操纵杆控制的过程中需要 A/D转换，利用单片机的内部资源即可。

图 1下位机硬件结构图Fig.1 Lower Level Computer Hardware Structure3.2 PCL6O45BL拈多轴控制芯片采用 日本某公司生产的PCL6045BL芯片，这款芯片是-种通过总线接收 CPU命令并产生脉冲控制步进电机或脉冲驱动型伺服电机的CMOS大规模集成芯片，具备数控系统所需的完整的外围接口，包括驱动步进电动机和伺服电动机所需的高速脉冲，返回位置、速度信号的光电编码器接口，手持脉冲发生器，机械位置及伺服驱动器 I/O信号接口。它可提供多种输出控制功能，包括匀速、线性或 S曲线的加减速，连续、定长、回原点等输出方式。它可控制四轴的运动，包括(24)轴线性插补以及任意两轴的圆弧插补。该芯片可与8位或16位CPU连接。CPU通过对 PCL6045BL内部寄存器读写操作，实现 CPU与 PCL6045BL之间的数据交换 ，及对运动轴和外围接口进行参数化控制。

PCL6045BL的外围电路，如图2所示。PCL6045BL的所有接口的逻辑均可通过寄存器写操作改变，所有接口的状态均可通过寄存器读操作查询PC 5BL· -·- It， CU(CS/ ---- /CSA0～A4 ---- A0-A4IN1W /INTRD/ ----- ，RDW /WRDO～D7 --- DO-D7RST/ ，RST图 2 PCL6045BL外围电路Fig.2 PCL6045BLs Outer Circuit-3.3数字信号输入/输出拈数字信号输出拈负责为外部设备提供控制信号，设计外部设备采用24V供电，而单片机数字输出信号电压为3.3V，因此控制端与外部设备之间需要通过光耦隔离。从速度上来分，数字输出口可以分为高速输出口和低速输出口，前者主要控制伺服电机和步进电机等需要高速信号的设备，采用高速光耦进行隔离。

后者控制继电器等设备，采用普通光耦进行隔离。从功率上分，可以分为大功率输出口和小功率输出口，前者提供给大功率外设，采用达林顿光耦进行隔离，提高带负载的能力～供电电路和控制电路隔离，可以保证控制系统的稳定可靠和抗干扰性。

3-3VT图 3输出拈Fig.3 Output Module数字信号输入拈负责接收工业控制中的开关信号，如行程控制中的限位开关，设备操作中的启动、急停按钮等。设计开关信号均为24V供电，通过普通光耦与 3.3V单片机数字输入信号隔离。

24VT图4输入拈Fig.4 Input Module3.4通信拈Modbus协议是某公司 1978提出的用于可编程控制器之间进行控制和通信的协议。通过 Modbus协议，符合该协议的控制设备可以组成工业网络，进行集中监控。标准的 Modbus端口是使用与RS-232C兼容的串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验∝制器可直接或经由调制解调器组网。Modbus协议采用主从的通信方式，每次通信均由主机发起，主机发送按照-定的格式发送命令和数据，从机接收到命令和数据后进行解析，然后打包生产相应的回传消息包给主机。

Modbus协议使用 ASCII或 RTU通讯模式。在配置每台控制器时，用户须选择通讯模式以及串行口的通讯参数(波特率，奇偶校验等)，需要保证在 Modbus总线上的所有设备都配置了相同的通讯模式和串行通讯参数。RTU通讯模式相比ASCII通讯模式具有更高的传输效率，本系统中采用RTU模式。

3.5通信过程Modbus协议中的消息包中的参数类型主要有两种：线圈和寄存器。-个线圈变量对应 1位2进制数，取值为0或 1；-个寄存器对应16位二进制数，取值范围为(0～65535)。从数据操作上看，Modbus协议主要就是主机对从机的线圈和寄存器进行读写操作。主机准备请求并向从机发送请求，从机接收主机请求后校验，然后处理，并向主机发送回复，如果出现差错，从机将返回-个异常的功能码。

C8051F020芯片中包含的串行通讯拈带有与 RS232标准-致No.2Feb.2013 机 械 设 计 与制 造 3的异步串口(UART)，使得 C8051F020可以很方便的与工控机通信。由于单片机产生的是非 rrL电平信号，因此在与标准 RS232串行通讯口连接前需要进行电平转换，系统中采用标准的电平转换芯片 MAX3232CSE，该驱动芯片功耗低 、集成度高、(3.3～5V)供电，具有两个接收和发送通道。

3.6可靠性设计在可靠性设计方面主要考虑以下因素：(1)数模方面采用统- 地，用 0n电阻连接；(2)各电源引脚旁就近加 0.1IxF退耦高频电容；(3)输入、输出信号采用光耦隔离；(4)单片机的晶振下面不走任何信号线，以抗干扰；(5)所有走线的弯折处均采用45。弯角。

4系统的软件设计整个系统的控制软件主要分为下位机和上位机两部分。下位机部分是由C8051F020和 PCL6045BL为核心的运动控制卡软件完成底层的电机控制 、插补算法以及各种开关量的检测，并与上位机进行数据交换，软件编程环境采用 Silabs IDE。上位机部分是在凌华工控机上，以WindowsXP为平台，采用 VC6.0开发整个系统的管理控制软件。上位机与下位机采用 MODBUS协议进行通讯。单片机对 PCL6045BL芯片进行控制通讯的流程图，如图 5所示 。

图 5 PCL6045BL控制流程图Fig.5 PCL6045BLS Control Flow Chart5上下位机通讯控制实验5.1开关信号输入实验实验中 C8051F020的P1.1～P1.2等 10作为数字输入 ，监控限位开关的运行状况。通过功能码 01(读位)查询单片机的输人口状态。当限位开关闭合时，查询 10的状态为 0，状态吻合。

5.2步进电机控制实验编写单片机程序，使 C8051F020的定时器 0产生方波信号 ，其频率由-个 16bit int型变量存储。通过功能码 06(写字)改变其寄存器的值，实现步进电机速度改变并用数字示波器观察输出方波，发现其频率与设定值相符。

5.3直流电机控制实验编写单片机程序，使能L6201控制芯片，通过功能码 06(写字)改变运转方向，实现直流电机的正转和反转，状态吻合。

5.4伺服电机控制实验编写单片机程序，控制 PCL6045BL的寄存器，通过功能码06(写字)改变寄存器的值，使能伺服驱动器，输入需要运行的脉冲数，电机正常运转，利用编码器的返回值 ，查看是否有丢步。

5.5操纵杆控制实验实验中采用 C8051F020内部的ADC0采集操纵杆内部电位器电阻的变化，来控制伺服电机的速度快慢，实验正常，速度变化平缓，达到了预期目标通过上述实验，说明这种基于 MODBUS协议的多轴控制系统能够满足工业设备的控制需求。

6结论设计了针对现在电子设备中多轴控制的功能要求，设计并开发了基于 MODBUS协议的多轴运动控制系统，该系统通过采用运动控制芯片微处理器的双 CPU结构，增强了系统的抗干扰性能，利用多轴控制芯片来控制电机的运转，不占用微处理器的运行时间，提高了运动控制速度，并且该系统可移植性，可广泛应用于各类多轴控制设备中。经实验调试，该控制卡满足所需功能要求并且运行良好。