【正文】 附錄 3 主機(jī) PCB 實(shí)物圖 ............................................................................................ 32 附錄 4 從機(jī) PCB 實(shí)物圖 ............................................................................................ 33 附錄 5 主機(jī)通訊程序代碼 ........................................................................................ 34 附錄 6 從機(jī)通訊程序代碼 ........................................................................................ 38 I 基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器的設(shè)計(jì) 摘 要 :隨著現(xiàn)場總線在工業(yè)應(yīng)用中的越來越廣泛，越來越普及， Modbus 作為其中的一種簡單協(xié)議也 受到不少的歡迎。本論文根據(jù) Modbus 協(xié)議 中 RTU 模式實(shí)現(xiàn)讀寄存器、寫單個寄存器、寫多個寄存器 等多個 功能 。 本系統(tǒng) 從機(jī)以STC12C5A60S2 為基本平臺， 利用 RS232 串口 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊 ， 用單片機(jī)的 內(nèi)部 RAM 寄存器 模擬協(xié)議中的 寄存器 ，根據(jù)寄存器的值調(diào)節(jié)單片機(jī) PWM 輸出，改變 LED 燈的亮度，單片機(jī) 讀取實(shí)時溫度 。 本系統(tǒng)上位機(jī) 以 STM32F103RBT6 為平臺 ， 通過 寸 TFT 觸摸屏 實(shí)現(xiàn) 查詢從機(jī)、設(shè)置從機(jī)參數(shù) 等功能 ，實(shí)時顯示從機(jī)的通訊狀態(tài)、寄存器的值、溫度 測量值 。 另外本系統(tǒng) 還 具有掉電 保存、溫度報警 功能 。 關(guān)鍵詞 : Modbus、 LED、 寄存器、 RS23 STC12C5A60S溫度報警 、 STM32F103 II The design of MODBUS municator based on MCU Abstract : With the fieldbus using in the industrial application widely and popularly, modbus is more weled as one of its simple agreement. According to the RTU schema of modbus in modbus agreement, the paper mainly achieves the function of reading register, writing single register and multiple registers etc. The slave of system uses the STC12C5A60S2 as the basic platform and RS232 to realize the munication with the Host puter. The system will use the register of internal ram in mcu to simulate the register in agreement , and according to the value of register it can adjust the mcu output of PWM, change the brightness of LED, and acquire the real time temperature. The Host puter of system uses STM32F103RBT6 as platform, by the inches touching screen, it will realize the function of querying slave ,setting parameter of the slave, displaying the munication status of slave and the value of register and temperature measured. Besides, the system also has preservation of power down and temperature alarm functions. Keywords: Modbus、 LED、 Register、 RS23 STC12C5A60S Temperature Alarm、STM32F103 1 第 1 章 緒 論 概述 Modbus 是由 Modicon 在 1979 年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線 協(xié)議 。為更好地普及和推動 Modbus 在基于 以太網(wǎng) 上的 分布式應(yīng)用 ，目前施耐德公司已將Modbus 協(xié)議 的所有權(quán)移交給 IDA 組織，并成立了 ModbusIDA 組織，為 Modbus 今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 Modbus 協(xié)議 是應(yīng)用于 電子控制器 上的一種通用語言。通過此協(xié)議， 控制器 相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間 通 訊 。它已經(jīng)成為一 種 通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠 商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成 工業(yè)網(wǎng)絡(luò) ，進(jìn)行集中監(jiān)控。此 協(xié)議 定義了一個 控制器 能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何 種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通 訊 的。它描述了 控制器 請求訪問其它設(shè)備的過程，如何 回 應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。 當(dāng)在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時，此 協(xié)議 決定了每個 控制器 須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)， 控制器 將生成反饋信息并用 Modbus 協(xié)議 發(fā)出。 Modbus 具有以下幾個特點(diǎn)： 標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用 Modbus 協(xié)議 ，不需要交納許可證費(fèi)，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。目前，支持 Modbus 的廠家超過 400 家，支持 Modbus 的產(chǎn)品超過 600 種。 Modbus 可以支持多種電氣接口，如 RS23 RS485 等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。 Modbus 的幀格式簡單、緊湊 、 通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。 在大多 數(shù)工廠里，現(xiàn)場儀表采用單獨(dú)的控制室直連對絞線電纜連接到控制系統(tǒng)。當(dāng)儀表設(shè)備被連接到一種分散式 I/O 系統(tǒng)的時候 ， 可以增加更多的現(xiàn)場設(shè)備，但是僅僅需要一根對絞線電纜就可以把所有數(shù)據(jù)傳送到 MODBUS 主站。以 MODBUS 網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)連接的時候，把現(xiàn)場設(shè)備連接到一個過程控制系統(tǒng)、 PLC 或是工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整個工廠的連接都能夠從對絞線電纜控制室直連的方式轉(zhuǎn)變成為 MODBUS 連接方式。 到目前為止，我們僅僅涉及到了簡單的 MODBUS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。還有一種方案也是可能的，那就是把控制設(shè)備安裝在現(xiàn)場，然后通過 MODBUS 使其與中央控制系統(tǒng)進(jìn) 2 行通訊。它也可以被編程用來執(zhí)行控制功能，例如 PID 控制、 ON/OFF 控制、現(xiàn)場報警、診斷以及報警監(jiān)視等。 另一種 ―智能化 ‖并且具有控制能力的 MODBUS 設(shè)備是來自于 Moore Industries 公司的 MDS 方程站。這是一種多功能控制器，它能夠執(zhí)行很多種類型的控制功能和運(yùn)算。有了 MDS 方程站，在實(shí)現(xiàn)簡單控制任務(wù)、多變量控制任務(wù)（例如監(jiān)視和控制一個蒸煮器里的紙漿液位或者使用來自多個流量、溫度和壓力變送器的輸入信號實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)算）時就不再需要 PLC 或者大型控制器了。最多可以有 127 個 MDS 模件被安裝在一個MODBUS 網(wǎng)絡(luò)上面來實(shí)現(xiàn)對工廠的控制或是采集整個工廠的信號。 PID（比例、積分和微分）控制器最初都是單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的無通訊控制器。由于 PLC和 DCS 都已經(jīng)智能化，因此現(xiàn)在 PID 控制器也智能化了。今天，許多終端用戶依然青睞那些直接讀出和編程簡單的單回路控制器。諸如 MODBUS 等數(shù)字化通訊協(xié)議能夠給這些一直單機(jī)運(yùn)行的儀表注入一些新的活力。通過對這 些控制器進(jìn)行多分支網(wǎng)絡(luò)連接，可以創(chuàng)造一個自己的小型分散控制系統(tǒng) 。 現(xiàn)代 的控制領(lǐng)域持續(xù)不斷的產(chǎn)生和應(yīng)用諸如現(xiàn)場總線和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)概念 ，MODBUS 的簡 單性以及它的便于在許多通訊媒介上實(shí)施應(yīng)用的特點(diǎn)一直使它受到最廣泛的支持，并且成為全球應(yīng)用最廣泛的工業(yè)協(xié)議。當(dāng)使用現(xiàn)有老式控制系統(tǒng)的用戶發(fā)現(xiàn)自己需要擴(kuò)充現(xiàn)場儀表或者增加遠(yuǎn)程控制器的時候，他們都會采用 MODBUS 作為一個能夠解決復(fù)雜問題的簡單解決方案。用戶試圖把一個外來設(shè)備連接到控制系統(tǒng)里面，使用這個設(shè)備的 MODBUS 接口被證明是最為容易的辦法。雖然 MODBUS 已經(jīng)是最為古老的通訊方法之一，由于非常多的原因它也是最普及的通訊方法。 MODBUS 便于使用、非常可靠、價格低廉并且可以連接到控制工業(yè)領(lǐng)域幾乎所有的傳感器 和控制設(shè)備。 MODBUS 廣泛的應(yīng)用于程序自動化、工業(yè)自動化、智能建筑、 輸配電通訊協(xié)議、智能電表、車用通訊。 目的與意義 在現(xiàn)代化工業(yè)控制中 , 由于被控對象、測控裝置等物理設(shè)備的地域分散性 , 以及控制與監(jiān)控等任務(wù)對實(shí)時性的要求 , 不同設(shè)備之間現(xiàn)場交互性信息的傳遞越來越多。但傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件存在著一些問題。不具備開放性，各個部分的聯(lián)系過于緊密，使系統(tǒng)過于復(fù)雜。這樣使系統(tǒng)的更新、擴(kuò)展和升級變得非常困難，對系統(tǒng)任何一部分的修改都有可能對其它部分造成影響，從而導(dǎo)致大量且煩瑣的軟件和硬件的修改。傳統(tǒng)的 工 3 業(yè)控制軟件開發(fā)中出現(xiàn)的另一個主要問題是軟件的重復(fù)開發(fā)，軟件不能夠復(fù)用，資源不能共享，造成大量的人力與物力資源的浪費(fèi)。雖然使用高級語言函數(shù)庫讓我們可以利用面向?qū)ο蟮睦^承等方法大量重用源代碼，但這些復(fù)用只是對源代碼級的復(fù)用而不是對可執(zhí)行文件級的復(fù)用。 由于傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的帶來的不便，造成形成了大量的 ―信息孤島 ‖， 但是，對于工業(yè)控制而言，各站點(diǎn)之間不是孤立的，它們必須互相配合、協(xié)調(diào)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要各站點(diǎn)能互通訊息。另外，上級管理網(wǎng)也需要與子站交互數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)全局的監(jiān)控和優(yōu)化。然而，子站 是采用不同開發(fā)平臺、不同通訊協(xié)議組成的 結(jié) 構(gòu)系統(tǒng)，可能由不同的廠家和 個 體 開發(fā)。要為每種協(xié)議寫一個轉(zhuǎn)換接口或驅(qū)動是比較繁瑣的，特別是在站點(diǎn)和協(xié)議較多的時候。因此，怎樣有效集成數(shù)據(jù)，避免信息孤島的出現(xiàn)，是工業(yè)控制領(lǐng)域中常遇到難點(diǎn)問題之一。 比較好的方法是各站點(diǎn)都采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，而不必為每一種協(xié)議開發(fā)一個通訊接口。目前這方面的協(xié)議比較多， MODBUS 就是其中的一種。 MODBUS 是一種全開放 , 免費(fèi)提供 ,非常容易理解和實(shí)施的協(xié)議 , 從 70 年代誕生以來 ,在制造業(yè)、電力、水電、冶金、礦山、交通、基礎(chǔ)設(shè)施的工 業(yè)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集和過程控制得到了廣泛應(yīng)用 , 形成了一種事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時， 隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展 , 單片機(jī)技術(shù)已逐步進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域 , 單片機(jī)以體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、應(yīng)用方便等優(yōu)勢。它允許 MODBUS 協(xié)議與單片機(jī) 232 接口結(jié)合 , 在單片機(jī)串口中嵌入 MODBUS 信息幀 , 成為 MODBUS/RTU 或 MODBUS/ASCII, 在工業(yè)自動化領(lǐng)域中 , 具有很高的性能價格比 , 是一種真正開放的理想解決方案。 發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)安裝了 MODBUS 串行設(shè)備，基于 MODBUS 和單片機(jī)技術(shù)的―透明就緒 ‖的廣泛應(yīng)用可以被歸類到三大市場：能源與基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)，以及建筑行業(yè)。 ◆ 在能源與基礎(chǔ)設(shè)施市場 ， 機(jī)場、隧道、數(shù)字通訊、電信、水處理、油氣、能源等行業(yè)大大得益于 ―透明就 緒 ‖的遠(yuǎn)程控制能力 。 ◆ 在工業(yè)市場，食品與飲料、微電子、制藥、汽車等行業(yè)則高度的受益于 ―透明就緒 ‖中從 IT 系統(tǒng)貫通到車間層單片機(jī)的統(tǒng)一全局網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 。 4 ◆ 在建筑市場，醫(yī)療機(jī)構(gòu)、公用建筑、民用住宅、船舶等行業(yè)在 ―透明就緒 ‖中使用他們原有的單片機(jī) 232 網(wǎng)絡(luò)，從而大大的降低了實(shí)施費(fèi)用 。 研究的 主要內(nèi)容和 步驟 主要內(nèi)容 查找資料，熟悉單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及功能，熟悉利用 STC12C5A60SSTM32F103VET6 單片機(jī)進(jìn)行通 訊 器的硬件設(shè)計(jì)。 掌握 C51 語言，并完成 MODBUS 通 訊 程序的編寫 。 構(gòu)建各個模塊功能， 利用 Altium designer 軟件畫原理圖及 PCB。 購買元器件并焊接，制作通 訊 器。 搭建測試平臺，通 訊 器軟硬件調(diào)試。 設(shè)計(jì)的步驟 本次設(shè)計(jì)的課題是基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器的設(shè)計(jì)，主要的研究方法步驟如下： 對整個 MODBUS 通訊協(xié)議的構(gòu)成、要求、應(yīng)用等進(jìn)行大概的了解，明確課題的定位和所要解決的問題。 對單片機(jī)控制的理論以及涉及到的相關(guān)知識進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，例如：如何建立單片機(jī) 232 通訊，如何利用電腦對單片機(jī)編程，常用的編譯軟