基于单片机和Modbus协议的停车器控制系统

摘要：针对列车停车器的控制情况，文章设计出了一种基于单片机和Modbus协议的停车器控制系统。对现有的转辙机控制系统进行改进，通过Modbus协议，实现了一台主机对多台从机的远程控制和监督，并且可以方便地并入主系统。可以有效地提高系统安全性、操作的方便性和控制效率。
关键词：停车器；控制系统；单片机；Modbus

道岔是一种常见的铁路配件，在铁路的正常运行中，起着至关重要的作用。作为道岔控制系统的执行机构，转辙机(switch machine)是组成铁路道岔系统的重要零件。在编组站中，为了减少中间环节，列车停车器借用转辙机控制系统。编组站上的列车停车器控制系统的可靠性、安全性和操作的方便性对于提高铁路系统的安全性和效率、降低人力成本具有重要意义。为了配合控制和监督集中化的趋势，应该采用集控式控制，并且通过协议实现和计算机的单主机多从机系统，最终并入主系统。Modbus是一种开放的、免费的通讯协议，具有数据的安全性、物理媒介的广泛适用性和网络互连的多样性等优势。因此，我们自行设计了一种居于单片机和Modbus协议的双机通信控制系统。采用主从模式，实现一台主机远程监视和控制多台从机。
本文重点介绍了C8051通过Modbus协议与PC机进行串口通信以及单片机数据采集的硬件电路和软件编程，且应用了基于Modbus协议的报文结构，可以更有效地通信。

1 系统结构及工作原理
系统的总体结构由两层组成：上层为数据监控层，称为主机，由显示终端PC机组成，用于控制和显示现场控制情况；下层为数据采集层，称为从机，由实现Modbus协议的单片机(Modbus协议模块)、实现控制的单片机(现场主控制模块)、输入输出模块、LCD、传感器、电源模块、复位模块和接口电路组成；Modbus协议不需要特别的接口，典型的物理接口是RS-485，而RS-485为半双工结构，现场中比全双工往往更接近于实用，在此采用只有2条信号线的简易型连接。因此两层之间通过RS232-485相连，在标准的Modbus协议下进行通信，如图1所示。

上下层的通信方式为主从方式。首先，主机广播请求帧，而每个从机都有自己独立的地址，并且请求帧的首部是从地址，所有从机将请求帧的首部和白己的地址对比。如果相同，则自己是目的从机，并且向主机发送以自己地址开头的应答帧；否则不是。
由于装置需要实现多任务。为了优化系统功能，采用了双单片机的系统结构设计方法。其中一个单片机模块负责实时采集现场信息和控制现场系统；另一个单片机模块负责数据处理并做相应的封装，通过Modbus协议和PC机通信，如图2所示。