CC BY
87Применение SWITCH-технологии
при разработке прикладного программного обеспечения для микроконтроллеров. Часть 7
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.
Владимир ТАТАРЧЕВСКИЙ
arktur04@mail.ru
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.
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 МоЛш, которое в общем случае содержит: адрес ведомого, код команды, дополнительные данные и контрольную сумму. Сформированное сообщение передается через ИЛИТ микрокон-
троллера 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 ИЛИТ 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 Мо&ш завершается.
В предыдущей статье были упомянуты два режима работы протокола Мойш: Л8СП и ИТИ. Напомним читателю, что в режиме Л8СП сообщения передаются в виде текста, состоящего из чисел в шестнадцатеричной форме (символы '0'-'9', 'Л'-Т), сообщение начинается со «стартового» символа — двоеточия ':' и завершается «стоповой» последовательностью СИ ЬБ (возврат строки, перевод каретки, соответствующий код 0Л 0Б). При передаче допускаются паузы между символами продолжительностью до 1 с, в режиме ИТИ информация передается «как есть» в виде байтовых значений; специальные стартовые и стоповые символы отсутствуют; су-
Рис. 1. Обобщенный алгоритм обмена данными между ведущим и ведомым устройствами
щественные паузы между отдельными байтами сообщения недопустимы, сами же сообщения разделяются паузами длительностью не менее 3,51, где 1 — время передачи одного байта при данной скорости ИЛИТ [2].
Эти различия между режимами Л8СП и ИТИ имеют важные следствия:
• Следствие 1. Так как для передачи одного байта информации в режиме Л8СП требуется передать по линии связи два символа (то есть два байта), режим ЛвСП примерно в два раза медленнее, чем режим ИТИ (при одинаковой скорости ИЛИТ).
• Следствие 2. В силу того, что в режиме Л8СП существуют особые «стартовые» и «стоповые» символы, программа может фиксировать начало и конец передачи с гораздо более высокой степенью достоверности, чем в режиме ИТИ, где единственным признаком конца передачи служит небольшая пауза.
• Следствие 3. Так как в режиме ИТИ 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, выполня-
ющий 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;
а
формирование идет- да передать
сообщения 1 V свободен? 2 V У сообщение 1 V
передача
завершена
Рис. 3. Конечный автомат передачи сообщения Modbus в режиме RTU
• размер буфера превысил максимально допустимый (константа BUF_SIZE на рис. 2);
• не совпадает контрольная сумма.
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 ИТИ.
Передача и прием сообщений в режиме RTU
Передача сообщения в режиме ИТИ осуществляется простейшим образом (рис. 3): передающее устройство формирует сообщение (состояние 1), дожидается, в случае необходимости, освобождения буфера передат-
чика ИЛИТ (состояние 2) и отправляет сообщение (состояние 3). Каких-либо нештатных ситуаций и ошибок здесь ожидать не приходится.
Прием сообщений в режиме ИТИ (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 ИТИ 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 ИТИ отсутствует.
В завершение обсуждения реализации протокола МоЛш 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 МоЛш 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 автомат-поток, который выполняется параллельно с основной программой контроллера и обслуживает ввод/вывод сообщений по протоколу МоЛш. Работа автомата управляется двумя сообщениями «извне»: «начать транзакцию» — сообщение от основной программы (предполагается, что посылка МоЛш
инициализация 11А1?Т
сообщение:
сообщение: начало приема
начать транзакцию (в буфер 11А1?Т
поступил символ)
прием завершен успешно, транзакция закончена
ожидание команды на передачу от основной программы
2;
г > Г ^
пауза перед обработка ошибок
1 6J 1 У
' ошибка: недопустимый символ ' ошибка: тайм-аут 4 ошибка: переполнение буфера 4 ошибка: несовпадение контрольной суммы
Рис. 5. Обобщенный алгоритм работы ведущего устройства 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 переда-
чи 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 про-
граммы. 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 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 (состоя-
ние 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.
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
