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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 工業(yè)觸摸屏

PIC單片機(jī)與觸摸屏串行通信MODBUS協(xié)議

發(fā)布日期：2022-10-09 點(diǎn)擊率：76

PIC單片機(jī)與觸摸屏串行通信MODBUS協(xié)議
信息來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用
摘要：介紹一種在PIC單片機(jī)與觸摸屏之間采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)異步串行通信的方法。簡(jiǎn)單介紹了Modbus通信協(xié)議，給出了硬件電路連接圖、程序流程圖以及用PIC單片機(jī)C語(yǔ)言編寫的部分通信程序。實(shí)際使用證明該方法數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，并提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境。
關(guān)鍵詞：觸摸屏 PIC單片機(jī) Modbus協(xié)議通信
工控中經(jīng)常需要觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或者修改運(yùn)行參數(shù)。觸摸屏能夠直觀、生動(dòng)地顯示運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，而且通過(guò)觸摸屏畫面可以直接修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，人機(jī)交互性好。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域中，與觸摸屏配合，可組成良好的人機(jī)交互環(huán)境。觸摸屏和單片機(jī)通信，需要根據(jù)觸摸屏采用的通信協(xié)議為單片機(jī)編寫相應(yīng)的通信程序。Modbus協(xié)議是美國(guó)Modicon公司推出的一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間進(jìn)行通信的協(xié)議。本文以PIC16F877單片機(jī)和人機(jī)電子有限公司的eView MT510T型觸摸屏為例，介紹其通信程序的開發(fā)過(guò)程。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)的通訊，主要是解決通訊協(xié)議的問(wèn)題。本文使用開放的Modbus通訊協(xié)議，以觸摸屏作主站，單片機(jī)作從站。eView觸摸屏本身支持Modbus通訊協(xié)議，如果單片機(jī)也支持Modbus協(xié)議，就可以進(jìn)行通信了。觸摸屏與單片機(jī)之間采用的RS-232C兼容接口直接連接，傳輸速率設(shè)置為9600kb/s。圖1為該系統(tǒng)的電路圖。
將PIC16F877單片機(jī)RC6、RC7口設(shè)置為異步串行通信模式，經(jīng)過(guò)MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，再與eView觸摸屏PLC[RS-232]接口相連，即完成了硬件連接。eView觸摸屏PLC[RS-232]接口的管腳2為TXD，管腳3為RXD。
2 Modbus通信協(xié)議介紹
Modbus通信協(xié)議是一種串行的主從通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)里僅有一臺(tái)設(shè)置可作為主機(jī)（稱Master），其它設(shè)備作為從機(jī)（稱Slaver），主機(jī)不需編號(hào)，從機(jī)必須編號(hào)。協(xié)議定義了主機(jī)查詢及從機(jī)應(yīng)答的信息幀格式。通信時(shí)，主機(jī)首先向從機(jī)發(fā)出請(qǐng)求信息，符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒(méi)有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返給主機(jī)。若從機(jī)接收到的校驗(yàn)碼與本機(jī)計(jì)算的不同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，從機(jī)把這次請(qǐng)求視為無(wú)效，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。當(dāng)主機(jī)收到這一信息時(shí)，會(huì)重新發(fā)送請(qǐng)求信息。校驗(yàn)方式分為L(zhǎng)CR（傳送數(shù)據(jù)為ACSII時(shí)）校驗(yàn)或CRC（傳送數(shù)據(jù)為二進(jìn)制時(shí)）校驗(yàn)，這里采用CRC校驗(yàn)方式。
信息傳輸為異步方式，并以字節(jié)為單位。主從站之間通訊的字格式如表1所示。
表1 通訊的字格式
字格式（串行數(shù)據(jù)） 10位二進(jìn)制
起始位 1位
數(shù)據(jù)位 8位
奇偶校驗(yàn)位無(wú)
停止位 1位
Modbus協(xié)議可支持ASCII碼或二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)傳輸。ACSII碼方式下每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)分兩個(gè)字節(jié)傳送，二進(jìn)制方式下用一個(gè)字節(jié)傳送，為了減少數(shù)據(jù)傳輸量，一般選二進(jìn)制數(shù)據(jù)方式。各個(gè)區(qū)允許發(fā)送的字節(jié)均為16進(jìn)制的0～9，A～F。二進(jìn)制信息幀標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為：
初始結(jié)構(gòu) ≥4字節(jié)的時(shí)間
地址碼 1字節(jié)
功能碼 1字節(jié)
數(shù)據(jù)區(qū) N字節(jié)
錯(cuò)誤校驗(yàn) 16位CRC碼
結(jié)束結(jié)構(gòu) ≥4字節(jié)的時(shí)間
二進(jìn)制模式中，信息開始至少需要3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間，依據(jù)使用的波特率，很容易計(jì)算這個(gè)靜止時(shí)間。發(fā)送完最后一個(gè)字符后，也有一個(gè)至少3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間，然后才能發(fā)送一個(gè)新的信息。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時(shí)間。
3 單片機(jī)與觸摸屏地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系
eView觸摸屏只支持Bit和Word地址類型，而實(shí)際的單片機(jī)或其它控制器還有Byte、Double Word等表示方法，因此在進(jìn)行通信時(shí)，需要把單片機(jī)和觸摸屏的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。觸摸屏畫面元件讀取地址的設(shè)備類型有LW、0x、1x、3x、4x、RWI、RW等選項(xiàng)。其中，LW表示該元件讀取的是觸摸屏內(nèi)部的地址，如其它元件的地址；0x表示讀取的是控制器的輸出信號(hào)；1x表示讀取的控制器的輸入信號(hào);3x和4x指控制器的寄存器地址類型，其中4x是可讀可寫的，3x是只讀的;RWI、RW都是觸摸屏的內(nèi)部地址，起輔助作用。使用這些讀取地址的設(shè)備類型，觸摸屏即可顯示或設(shè)定控制器寄存器或I/O口的數(shù)值。以“數(shù)值輸入”元件為例，通過(guò)“小鍵盤”輸入數(shù)據(jù)即可設(shè)置單片機(jī)寄存器或I/O口的數(shù)值。如果啟動(dòng)了“觸發(fā)地址”，那么當(dāng)被觸控時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)就被存放到了指定的單片機(jī)地址中。
4 通信程序的開發(fā)
觸摸屏與單片機(jī)的通信程序采用PIC單片機(jī)C語(yǔ)言編寫。編譯工具選擇Hitech公司的PICC編譯器。程序共分三大模塊，即初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊。主程序流程圖如圖2所示。

PIC16F877單片機(jī)USART功能模塊帶有一個(gè)八位的波特率發(fā)生器BRG，BRG支持USART的同步和異步工作方式。用SPBRG寄存器控制一個(gè)獨(dú)立的八位定時(shí)器的周期。在異步方式下，發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）被用來(lái)控制波特率。對(duì)串行口進(jìn)行的初始化如下：
GIE=1; %全局中斷允許;
SPBRG=25; %設(shè)置波特率為9600；
TXSTA=0x04； %選擇異步高速方式；
RCSTA=0x80; %允許同步串行口工作；
RTISC6=1；
TRISC7=1； %將C口的RC6和RC7設(shè)置為異步串行通信模式；
PFIE=1; %外圍接口中斷允許；
RCIE=1; %USART接收中斷允許；
TXIE=1; %USART發(fā)送中斷允許；
數(shù)據(jù)接收模塊由一個(gè)中斷函數(shù)組成。該中斷函數(shù)將觸摸屏發(fā)來(lái)的Modbus數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在一個(gè)自定義的數(shù)組中，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完時(shí)，置接收結(jié)束標(biāo)志位為1，轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊。串行通信接收器的核心是接收移位寄存器RSR，當(dāng)接收到停止時(shí)，如果RCREG緩沖器為空，RSR就把接收到的數(shù)據(jù)送入RCREG。傳送完成后，接收中斷標(biāo)志位RCIF被置1。實(shí)際的中斷是否被CPU響應(yīng)，可以通過(guò)設(shè)置外圍接口中斷允許寄存器PIE1的中斷允許位RCIE來(lái)控制。
數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊執(zhí)行Modbus協(xié)議功能碼對(duì)應(yīng)的運(yùn)用。eView觸摸屏與單片機(jī)以Modbus協(xié)議通信，用到的Modbus功能碼如表2所示。
表2 通信程序用到的功能碼
功能碼 eView地址名稱含義作用
1 0x 讀開關(guān)量輸出讀取一路或多路開關(guān)量輸出狀態(tài)
3 4x 讀保持寄存器讀取一個(gè)或多個(gè)保持寄存器的數(shù)據(jù)
5 0x 寫開關(guān)量輸出強(qiáng)置一路繼電器的“分/合”輸出
1x
以Modbus功能碼03為例來(lái)說(shuō)明觸摸屏及單片機(jī)的實(shí)際通信數(shù)據(jù)格式。如單片機(jī)地址編號(hào)為01H，觸摸屏需要查看單片機(jī)中地址為0031H的寄存器的值，發(fā)送命令格式如表3所示。

表3 觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)段名稱數(shù)據(jù)值
地址 1
功能碼 3
讀取地址高位 0
讀取地址低位 31
讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)高位 0
讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)低位 1
CRC校驗(yàn)碼高位 D5
CRC校驗(yàn)碼低位 C5
假設(shè)單片機(jī)中地址為0031H的寄存器中斷為05H，則單片機(jī)的回復(fù)命令如表4所示。
表4 單片機(jī)應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)段名稱數(shù)據(jù)值
地址 1
功能碼 3
讀取字節(jié)數(shù) 2
寄存器數(shù)據(jù)高位 0
寄存器數(shù)據(jù)低位 5
CRC校驗(yàn)碼高位 78
CRC校驗(yàn)碼低位 47
當(dāng)波特率達(dá)到38400kb/s時(shí)，通信仍然穩(wěn)定可靠。本系統(tǒng)具有連接電路簡(jiǎn)單、組態(tài)靈活、通信可靠性高等特點(diǎn)，并已成功應(yīng)用于物料篩選控制系統(tǒng)項(xiàng)目中。由于Modbus通信協(xié)議的開放性的特點(diǎn)，國(guó)外進(jìn)口控制器串行通信大者支持該協(xié)議，因此本文所實(shí)現(xiàn)的采用Modbus協(xié)議的串行通信具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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