CN111679611A - 一种Modbus总线控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Modbus总线控制器及其控制方法。该控制器包括：控制模块、和通信模块；通信模块用于接收指令；控制模块包括主控CPU和解题专用CPU；主控CPU用于从通信模块接收指令并判断指令是否为PLC指令；在指令为非PLC指令时，主控CPU用于处理非PLC指令；在指令为PLC指令时，主控CPU用于将PLC指令发送至解题专用CPU，解题专用CPU用于处理PLC指令。本发明采用专用芯片来处理PLC指令，并且所有的题解算法集成到专用芯片中，因此它较软解题方式有着运行速度快，性能稳定等特点。

Description

一种Modbus总线控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及Modbus总线控制技术领域，具体涉及一种Modbus总线控制器及其控制方法。

背景技术

MODBUS总线广泛应用于航空航天测试以及工业自动化测试等领域。可编程总线控制器是一款通用型高性能的中型可编程控制器，具有更高的硬件集成度，采用专用的硬件逻辑处理芯片，程序执行速度高和I/O处理能力强，配合标准的编程软件VLadder丰富的指令功能，既可以处理快速的离散量顺序处理，又可以执行复杂的过程量运算控制。可编总线程控制器在应用上可以作为一独立控制系统，也可通过MODBUS/TCP功能来连接多台可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称为PLC)以达到分布式控制的功能。可广泛应用于军工、工业及单一过程控制装置等领域的系统或设备控制。

PLC作为工业控制系统最核心的技术指标就是实时性要求，与计算机构架控制系统不同，需要保证整个系统运行数十年系统运行状态也与刚投入使用的情况相同，不会随着时间的变化，系统出现变慢控制周期不准确的情况。大型PLC控制系统的控制规模大、功能复杂、运行程序较多如需更好的保证产品的正常运行就需要其提高运行效率。

因此，如何建立一种高效、可靠的Modbus总线控制器，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种Modbus总线控制器及其控制方法，以解决由于控制规模大、功能复杂、运行程序多导致Modbus总线控制器运行效率低、实时性差的问题。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种Modbus总线控制器，该控制器包括：控制模块、和通信模块；

所述通信模块用于接收指令；

所述控制模块包括主控CPU和解题专用CPU；

所述主控CPU用于从所述通信模块接收所述指令并判断所述指令是否为PLC指令；

在所述指令为非PLC指令时，所述主控CPU用于处理所述非PLC指令；

在所述指令为PLC指令时，所述主控CPU用于将所述PLC指令发送至所述解题专用CPU，所述解题专用CPU用于处理所述PLC指令。

进一步地，所述解题专用CPU用于从所述通信模块接收所述指令，并判断所述指令是否为功能块指令；在所述指令为功能块指令时，将所述功能块指令发送至所述主控CPU，所述主控CPU还用于处理所述功能块指令。

进一步地，所述解题专用CPU处理所述PLC指令包括判断所述PLC指令是否是布林代数指令或指令表逻辑指令；

当所述PLC指令为布林代数指令或指令表指令时，所述解题专用CPU用于通过横向扫描的方式处理所述PLC指令；

当所述PLC指令不属于布林代数指令且不属于指令表指令时，所述解题专用CPU用于通过纵向扫描的方式处理所述PLC指令。

进一步地，所述通信模块包括以太网接口、RS485接口、RS422接口、1553B接口和CAN通信接口。

进一步地，所述RS485接口通过磁隔离芯片与所述控制模块连接；

所述RS422接口通过磁隔离芯片与所述控制模块连接。

进一步地，还包括I/O模块；

所述控制模块和所述通信模块通过所述I/O模块交换数据。

本发明第二方面提供了一种Modbus总线控制方法，应用于本发明第一方面任一实施例所述的Modbus总线控制器，包括如下步骤：

加载系统配置参数；

加载I/O映射表；

刷新I/O映射表；

配置通信参数；

处理控制模块的通信数据；

刷新I/O模块数据；

处理通信模块的通信数据。

进一步地，加载系统配置参数之后还包括：

判断所述系统配置参数是否加载成功得到第一判断结果；

所述第一判断结果为否，则加载默认系统配置参数。

进一步地，加载I/O映射表之后还包括：

判断所述I/O映射表是否加载成功得到第二判断结果；

所述第二判断结果为否，则加载默认I/O映射表。

进一步地，处理通信模块的通信数据之后还包括：

监控控制模块和通信模块状态，更新模块异常故障状态标志位。

本发明实施例技术方案，具有如下优点：

本发明提供了一种Modbus总线控制器，通过解题专用CPU来处理PCL指令能够显著提高Modbus总线控制器的运行效率和稳定性，能够实时处理大规模的、复杂的程序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的Modbus总线控制器结构图。

图2为本发明实施例的PCL指令结构图。

图3为本发明实施例的横向扫描示意图。

图4为本发明实施例的纵向扫描示意图。

图5为本发明另一实施例的Modbus总线控制器结构图。

图6为本发明实施例的RS485接口和RS422接口结构图。

图7为本发明实施例的Modbus总线控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

图1为本发明实施例的Modbus总线控制器结构图。如图1所示，本发明实施例提供了一种Modbus总线控制器，该控制器包括：控制模块11、和通信模块12。通信模块12用于接收指令。控制模块11包括主控CPU111和解题专用CPU112。主控CPU111用于从通信模块12接收指令并判断指令是否为PLC指令。在指令为非PLC指令时，主控CPU111用于处理非PLC指令。在指令为PLC指令时，主控CPU111用于将PLC指令发送至解题专用CPU112，解题专用CPU112用于处理PLC指令。

本实施例中，该Modbus总线控制器基于系统级芯片(System on Chip，简称为SOC)构建。主控模块采用破解题技术来处理指令。主控模块为主CPU和解题专用CPU112双核架构模式。PLC系统调度、通信由主控CPU111完成，PLC代码解题由解题专用CPU112完成。主控CPU111运行处理非PLC指令内容。主控CPU111在运行过程中发现是PLC指令，即将控制权移交给解题专用CPU112进行专用指令解题以此来提升PLC的指令速度。

硬解题(HardwareLogicSolver，简称为HLS)，它的设计主要是以专用的芯片取代通用的CPU，来进行梯形图程序的逻辑状态求解，如位址计算、状态获取、运算、判断、状态的更新等动作，随着功能要求的多少与速度的要求，HLS可以是很简单的逻辑判断，也可以解释全部指点指令，甚至可以解部分功能块指令，因为HLS具有高速度高可靠性的特点，在高性能的中大型PLC中均设计有HLS。因此HLS的设计可以说是高档PLC的核心技术。

本发明采用专用芯片来处理PLC指令，并且所有的题解算法集成到专用芯片中，因此它较软解题方式有着运行速度快，性能稳定等特点。

在一个具体的实施方式中，解题专用CPU用于从通信模块接收指令，并判断指令是否为功能块指令；在指令为功能块指令时，将功能块指令发送至主控CPU，主控CPU还用于处理功能块指令。

本实施例中，解题专用CPU在进行PLC指令解析过程中遇到功能块指令时，解题专用CPU将控制权移交给主控CPU调用功能块函数进行处理。主控CPU和解题专用CPU相互切换完成用于代码的解题过程。

与传统的Modbus总线控制器相比，本发明通过主控CPU和解题专用CPU相互切换完成解题能够显著提高Modbus总线控制器的运行效率和稳定性，能够实时处理大规模的、复杂的程序。

图2为本发明实施例的PCL指令结构图。图3为本发明实施例的横向扫描示意图。图4为本发明实施例的纵向扫描示意图。如图2、3、4所示，在一个具体的实施方式中，解题专用CPU处理PLC指令包括判断PLC指令是否是布林代数222指令或指令表逻辑223指令。当PLC指令为布林代数222指令或指令表指令时，解题专用CPU用于通过横向扫描的方式处理PLC指令。当PLC指令不属于布林代数222指令且不属于指令表指令时，解题专用CPU用于通过纵向扫描的方式处理PLC指令。

通过图2可以看到，同样一个功能，可以采用很多种不同的方式来实现其图形化的编程，例如动作图21和电路图22。动作图21包括流程图211和步序表212。其中电路图22方式的梯形图是目前使用最为广泛的，但同样是梯形图，其最终给下位机虚拟机执行的也可以是三种完全不同的目标码结构。第一种方式是阶梯图221，是完全的以图的方式进行执行，第二种方式是布林代数222，第三种是指令表(IL)方式的逻辑描述。除了语言与目标码的不同外，对于程序的解析方式也有两类，一类是横向的执行方式，如图3所示，这种方式在目标码采用布林代数222和指令表逻辑223的情况下是比较适合的，但此结构一般对编译软件的要求相当高。大多数情况下，阶梯图221在横向扫描中是无法支持，对用户的限制相当多。图4是目前中高档PLC中比较常用的一种纵向扫描方式。该扫描方式在同一梯形图网络内采用纵向的扫描方式。因其结构的特点，同一列的与或操作可以在一个指令周期内操作完毕，相当于在同一网络之中是并行执行的，这一种扫描方式吻合物理的电器图原理，同时此扫描方式也最适合图的解析。因为纵向扫描方式对于梯形图的构图要求很低，基本上可以解析任意的图。因为是以图的方式去执行，所以梯形图程序被分成了一个一个的网络。有电气关系的程序被视作同一样网络，如图3为一个独立的梯形图网络。一个大的程序由若干个网络构成，在一个网络内，通过这样的纵向扫描方式并行执行，而在网络与网络之间则是串行执行的。

与传统的Modbus总线控制器相比，本发明通过选择适合的扫描方式来解析梯形图，有利于提高指令解析的稳定性和效率。

图5为本发明另一实施例的Modbus总线控制器结构图。如图5所示，在一个具体的实施方式中，通信模块包括以太网接口504、RS485接口503、RS422接口502、1553B接口和CAN通信接口505。

本实施例中，系统为一片上系统集成电路芯片501及其外围电路。包括RS422接口502、RS485接口503、以太网接口504、2路CAN通信接口、数据业务单元接口509、1553总线510、存储控制器512、可编程外部终端511、串行外设接口513、4路可调脉宽输出接口508、4路高速脉冲输出接口507和两路高速计数接口506。支持国际标准IEC61131-3，支持梯形图编程；支持在线编程调试，分布式组网控制；支持2路RS422接口，波特率1200ˉ115200/bit，奇偶校验，停止位可设置；支持1路RS485接口，波特率1200ˉ38400/bit，奇偶校验，停止位可设置；支持1路10/100M以太网接口，支持TCP(TCP MODBUS)，UDP协议；支持2路CAN通信接口505，相互独立，波特率10Kˉ1M/BIT，可配置；4路HSC高速计数接口506；4路PTO高速脉冲输出接口507；4路PWM可调脉宽输出接口508(与PTO复用)；支持4块扩展背板，32块扩展模块；10K梯形图运行周期不超过1ms；支持2G电子盘。

图6为本发明实施例的RS485接口和RS422接口结构图。如图6所示，在一个具体的实施方式中，RS485接口603通过磁隔离芯片602与控制模块601连接。RS422接口604通过磁隔离芯片602与控制模块601连接。

与传统的Modbus总线控制器相比，本发明采用通过磁隔离芯片602能够提高接口的安全性。

在一个具体的实施方式中，该Modbus总线控制器还包括I/O模块。控制模块和通信模块通过I/O模块交换数据。

本实施例中，Modbus总线控制器包括1个RS485接口，2个RS422接口。3个串口都支持MODBUSRTU主从协议，包括通用异步收发传输器(UART)。每个UART口，只能工作在1种模式下。控制器设计的冗余网口支持MODBUSTCP主从协议，通信模块与CPU模块交换MODBUS数据通过访问I/O寄存器实现。

图7为本发明实施例的Modbus总线控制方法流程图。如图7所示，本发明实施例公开了一种Modbus总线控制方法，应用于本发明任一实施例的Modbus总线控制器，包括如下步骤：

S701：加载系统配置参数；

S702：加载I/O映射表；

S703：刷新I/O映射表；

S704：配置通信参数；

S705：处理控制模块的通信数据；

S706：刷新I/O模块数据；

S707：处理通信模块的通信数据。

在一个具体实施方式中，加载系统配置参数之后还包括：

S708：判断系统配置参数是否加载成功得到第一判断结果；

S709：第一判断结果为否，则加载默认系统配置参数。

在一个具体实施方式中，加载I/O映射表之后还包括：

S710：判断I/O映射表是否加载成功得到第二判断结果；

S711：第二判断结果为否，则加载默认I/O映射表。

在一个具体实施方式中，处理通信模块的通信数据之后还包括：

S712：监控控制模块和通信模块状态，更新模块异常故障状态标志位。

与传统的Modbus总线控制方法相比，本申请在系统配置参数、I/O映射表加载失败时，通过加载默认系统配置参数或加载默认I/O映射表能够保证控制系统的实时性和稳定性。

在一个具体实施方式中，主控CPU性能参数表如下：

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种Modbus总线控制器，其特征在于，该控制器包括：控制模块、和通信模块；

所述通信模块用于接收指令；

所述控制模块包括主控CPU和解题专用CPU；

所述主控CPU用于从所述通信模块接收所述指令并判断所述指令是否为PLC指令；

在所述指令为非PLC指令时，所述主控CPU用于处理所述非PLC指令；

在所述指令为PLC指令时，所述主控CPU用于将所述PLC指令发送至所述解题专用CPU，所述解题专用CPU用于处理所述PLC指令。

2.根据权利要求1所述的Modbus总线控制器，其特征在于，所述解题专用CPU用于从所述通信模块接收所述指令，并判断所述指令是否为功能块指令；在所述指令为功能块指令时，将所述功能块指令发送至所述主控CPU，所述主控CPU还用于处理所述功能块指令。

3.根据权利要求1所述的Modbus总线控制器，其特征在于，所述解题专用CPU处理所述PLC指令包括判断所述PLC指令是否是布林代数指令或指令表逻辑指令；

当所述PLC指令为布林代数指令或指令表指令时，所述解题专用CPU用于通过横向扫描的方式处理所述PLC指令；

当所述PLC指令不属于布林代数指令且不属于指令表指令时，所述解题专用CPU用于通过纵向扫描的方式处理所述PLC指令。

4.根据权利要求1所述的Modbus总线控制器，其特征在于，所述通信模块包括以太网接口、RS485接口、RS422接口、1553B接口和CAN通信接口。

5.根据权利要求4所述的Modbus总线控制器，其特征在于，所述RS485接口通过磁隔离芯片与所述控制模块连接；

所述RS422接口通过磁隔离芯片与所述控制模块连接。

6.根据权利要求1所述的Modbus总线控制器，其特征在于，还包括I/O模块；

所述控制模块和所述通信模块通过所述I/O模块交换数据。

7.Modbus总线控制方法，应用于权利要求1-6任一项所述的Modbus总线控制器，其特征在于，包括如下步骤：

加载系统配置参数；

加载I/O映射表；

刷新I/O映射表；

配置通信参数；

处理控制模块的通信数据；

刷新I/O模块数据；

处理通信模块的通信数据。

8.根据权利要求7所述的Modbus总线控制方法，其特征在于，加载系统配置参数之后还包括：

判断所述系统配置参数是否加载成功得到第一判断结果；

所述第一判断结果为否，则加载默认系统配置参数。

9.根据权利要求7所述的Modbus总线控制方法，其特征在于，加载I/O映射表之后还包括：

判断所述I/O映射表是否加载成功得到第二判断结果；

所述第二判断结果为否，则加载默认I/O映射表。

10.根据权利要求7所述的Modbus总线控制方法，其特征在于，处理通信模块的通信数据之后还包括：

监控控制模块和通信模块状态，更新模块异常故障状态标志位。

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