【正文】 主機(jī)單片機(jī)發(fā)送MODBUS 命令給從機(jī)，從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)單片機(jī)，主機(jī)控制液晶屏刷新從機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn) MODBUS 通訊器功能。方案一連接簡(jiǎn)單，操作方便，只需開發(fā)從機(jī)模塊與電腦通訊，只需編寫從機(jī)MODBUS 通訊協(xié)議代碼。方案二利用液晶屏代替電腦顯示器界面，單片機(jī)做主機(jī)，同時(shí)開發(fā)主機(jī)與從機(jī)，需要編寫主機(jī)和從機(jī) MODBUS 通訊協(xié)議，難度偏大。權(quán)衡考慮后，方案二實(shí)用性更強(qiáng)，所以本系統(tǒng)采用方案二設(shè)計(jì)。 芯片選擇由于主機(jī)液晶顯示采用 寸 TFT 觸摸屏，對(duì)主機(jī) CPU 控制器要求較高，故主機(jī)主控芯片采用 STM32 系列的 STM32F103RBT6 芯片。從機(jī)主控芯片則有兩種選擇： STM 系列的 STM8S105K4，此芯片編程簡(jiǎn)單，單片機(jī)價(jià)格便宜，與傳統(tǒng) 51 單片機(jī)編程方法兼容，內(nèi)部資源豐富，下載程序簡(jiǎn)單，可在線調(diào)試，但需特定下載器，而且下載器價(jià)格昂貴。 STC 系列的 STC12C5A60S2，此芯片編程簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，與傳統(tǒng) 51 單片機(jī)編程方法兼容，內(nèi)部資源豐富，下載程序只需 RS232 接口即可將程序下載到單片機(jī)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。根據(jù)比較，本系統(tǒng)從機(jī)主控芯片采用 STC12C5A60S2，利用串口通訊芯片基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)7MAX3232 與上位機(jī)連接，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。主機(jī)從機(jī) 1 從機(jī) 2 從機(jī) 3R X DG N DT X DR X D R X D R X DT X D T X DT X DG N D G N D G N D圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 軟件方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主機(jī)基于 STM32 單片機(jī)平臺(tái)，從機(jī)基于 STC 單片機(jī)平臺(tái)，利用其中的RS232，主機(jī)發(fā)送 MODBUS 命令查詢從機(jī)數(shù)據(jù)，主機(jī)根據(jù)觸摸屏定義的功能，下置數(shù)據(jù)到從機(jī)寄存器，改變從機(jī)寄存器模擬量的值，然后根據(jù) Modbus 總線協(xié)議編寫相應(yīng)的程序完成其功能，另外再利用 DS18b20 測(cè)量溫度，通過(guò) Modbus 實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警等功能，然后利用 寸 TFT 觸摸屏實(shí)時(shí)顯示通訊狀態(tài)、LED 燈的狀態(tài)、實(shí)時(shí)溫度值。圖 為軟件的總體流程圖?；趩纹瑱C(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)8開始系統(tǒng)初始化主機(jī)發(fā)送查詢命令從機(jī)接收命令匹配地址地址匹配的從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)液晶屏刷新對(duì)應(yīng)從機(jī)數(shù)據(jù)圖 軟件總體流程圖?；趩纹瑱C(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)9第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 主機(jī) CPU 模塊主機(jī) CPU 模塊采用 STM32 系列的 Cortex‐M3 處理器 STM32F103VET6，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和 STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率 72MHz 時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32 功耗 36mA，是32 位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 。STM32F103VET6 外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，芯片最小系統(tǒng)電路如圖 所示。PE21456VBATCMR7OS_IN8U0DF+、如圖 STM32F103VET6 最小系統(tǒng)電路基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)10 電源模塊主機(jī)系統(tǒng)供電采用 Lm7805 穩(wěn)壓出 5V，供給 LT1117 輸入，使得輸出為 主芯片所需的電源，電源模塊原理圖如圖 所示。LT1117 三端可調(diào)或固定電壓 輸出電流為 1A，線路調(diào)整率為 %，負(fù)載調(diào)整率為 %，封裝類型為 SOT223。三端穩(wěn)壓集成電路 lm7805。常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 lm79系列。三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 OUT3IN1GD2LM7805uFC9Vn46HRAE+SPW、eadr圖 電源模塊電路圖 液晶顯示模塊主機(jī)系統(tǒng)采用 寸 TFT 液晶顯示屏做界面顯示， 寸彩色 TFTLCD 顯示模塊的內(nèi)置 LCD 控制器以及顯存，對(duì) 寸模塊進(jìn)行操作時(shí)，實(shí)際上是對(duì) LCD 控制器的控制寄存器、顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。液晶顯示模塊及 CPU 引腳接口電路如圖 所示。 寸模塊內(nèi)部有雙圖層顯示功能，雙圖層顯示的模塊具有兩個(gè)顯示圖層：一個(gè)背基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)11景層，一個(gè)前景層。兩個(gè)圖層都具備 16 位真彩的顯示能力。本系統(tǒng)直接采用 STM32 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏， STM32 單片機(jī)內(nèi)部帶有靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（FSMC ），F(xiàn)SMC 模塊能夠與同步或異步存儲(chǔ)器和 16 位 PC 存儲(chǔ)器卡接口，它的主要作用是：將 AHB 總線傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議 。滿足訪問(wèn)外部設(shè)備的時(shí)序要求 所有的外部存儲(chǔ)器共享控制器輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，每個(gè)外部設(shè)備可以通過(guò)一個(gè)唯一的片選信號(hào)加以區(qū)分。界面顯示如圖 、 所示。 圖 開機(jī)界面 圖 主界面34567890PDEVGNBRSTCLAKIHUYF_WMOeadrX圖 TFT 液晶及 CPU 引腳接口基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)12 存儲(chǔ)模塊由于主機(jī)采用 寸 TFT 觸摸屏作為界面顯示，像素點(diǎn)為 480*272，需要大量圖片數(shù)據(jù)信息，而主芯片內(nèi)部 Flash 只有 512KB，最多只能存放兩張圖片，所以本系統(tǒng)采用了外擴(kuò)存儲(chǔ)器的方法存儲(chǔ)圖片數(shù)據(jù)。圖片數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)芯片的固定地址，多張圖片分地址放置，CPU 只需按地讀取存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)送入 TFT 顯示器，即可完成所有圖片顯示，節(jié)約了 CPU 內(nèi)部空間。本系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊采用 AT45DB161D 存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)容量為 2M，足夠存儲(chǔ)大量圖片數(shù)據(jù)信息。模塊電路圖如圖 所示，AT45DB161D 是一款 或 ，串行接口的 FLASH 存儲(chǔ)器，是各種數(shù)字語(yǔ)音，圖像，程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的理想選擇。AT45DB161D 支持 RapidS 串行接口，適用于要求高速操作的應(yīng)用。 RapidS 串行接口兼容 SPI，最高頻率可達(dá) 66MHz。AT45DB161D 的存儲(chǔ)容量為 17,301,504 位，組織形式為 4,096 頁(yè)，每頁(yè) 512 或 528 頁(yè)。 SI1CK2RET34WP5V6GND7O8UAB_M、圖 存儲(chǔ)模塊 程序調(diào)試下載模塊STM32 內(nèi)部集成 JTAG 調(diào)試模塊，JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE 兼容） ，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、FPGA 器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線：TMS、TCK、 TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG 編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程再裝到板上因此而改變，簡(jiǎn)化的流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程，從而大大加快工程進(jìn)度。JTAG 接口可對(duì) PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行 編程。具有 JTAG 口的芯片都有如下 JTAG 引腳定義：TCK——測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI——測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò) TDI 輸入 JTAG 口；基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)13TDO——測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò) TDO 從 JTAG 口輸出；TMS——測(cè)試模式選擇，TMS 用來(lái)設(shè)置 JTAG 口處于某種特定的測(cè)試模式?？蛇x引腳 TRST——測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。含有 JTAG 口的芯片種類較多，如 CPU、DSP、CPLD 等。JTAG 內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，稱為 TAP 控制器。TAP 控制器的狀態(tài)機(jī)通過(guò) TCK 和TMS 進(jìn)行狀態(tài)的改變，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入。JTAG 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)串行的移位寄存器。寄存器的每一個(gè)單元分配給 IC 芯片的相應(yīng)引腳，每一個(gè)獨(dú)立的單元稱為 BSC（BoundaryScan Cell）邊界掃描單元。這個(gè)串聯(lián)的 BSC 在 IC 內(nèi)部構(gòu)成 JTAG 回路，所有的 BSR（BoundaryScan Register）邊界掃描寄存器通過(guò) JTAG 測(cè)試激活，平時(shí)這些引腳保持正常的 IC 功能。JTAG 的系統(tǒng)板設(shè)計(jì)和連線關(guān)系如圖 所示。Vref1suply2nTRS3GND4I56M78CK90OBQAJE圖 JTAG 電路圖 串口通訊模塊串口通訊模塊為整個(gè)設(shè)計(jì)的最重要的部分，本系統(tǒng)是基于串口 RS232 接口加入MODBUS 通訊協(xié)議，此部分一旦不能工作本系統(tǒng)將變得毫無(wú)意義。通訊方式直接利用串口通訊芯片 MAX3232，MAX3232 有雙串口接口，串口 1 接口與從機(jī)相連，連接方式采用 RJ45 網(wǎng)絡(luò)通訊接口。串口 2 接口與 DB9 接口相連，可以與電腦 RS232 通訊，便于調(diào)試。芯片外部電路圖如圖 所示。下面簡(jiǎn)單介紹 MAX3232 芯片。采用專有低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電壓在 至 電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的 RS232 性能，器件僅需四個(gè) 的外部小尺寸電壓電容。 MAX3232 確保在120kbps 數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持 RS232 輸出電平。MAX3232 具有二路接收器和二路驅(qū)動(dòng)基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)14器，提供 1uA 關(guān)斷模式，有效降低功效并延遲便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，僅消耗 1uA 電源電流，MAX3232的引腳、封裝和功能分別與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MAX242 和 MAX232 兼容。即使工作在高數(shù)據(jù)速率下，MAX3232 仍然能保持 RS232 標(biāo)準(zhǔn)要求的正負(fù) 最小發(fā)送器輸出電壓。只要輸入電壓在 至 范圍以內(nèi)，即可提供+（倍壓電源）和—（反相電壓）輸出電壓，電壓工作在非連續(xù)模式，一旦輸出電壓低于 ，將開啟電壓；輸出電壓超過(guò) ，即可關(guān)閉電荷泵，每個(gè)電壓需要一個(gè)電容器和一個(gè)儲(chǔ)能電容，產(chǎn)生 V+和 V的電壓。MAX3232 在最差工作條件下能夠保證 120kbps 的數(shù)據(jù)速率。通常情況下，能夠工作于 235kbps 數(shù)據(jù)速率。 C1+V23456Tout7Rin890GNDUSJ ecrFPAXOIHadLE_、圖 串口通訊電路 從機(jī)主控模塊從機(jī)主控采用 STC12C5A60S2，最小系統(tǒng)電路圖如圖 所示。STC12C5A60S2 單片機(jī)性能特點(diǎn)：工作頻率 0~40M 相當(dāng)于普通 8051 的 0~80M。FLASH 程序儲(chǔ)存 4K64K，RAM 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存 512B－1280B。內(nèi)部集成 EEPROM 2K－16K 及看門狗和專用復(fù)位電路。帶 A/D 功能，超小封裝。24 路 PWM， 810 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換。有 ISP 和 IAP 功能，強(qiáng)抗干擾和降低 EMI 性能?；趩纹瑱C(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)15圖 從機(jī)主控模塊最小系統(tǒng) LED 燈顯示模塊LED 燈模塊采用 8 個(gè) 0805 封裝的 LED 顯示，LED 模塊電路圖如圖 所示。利用 STC 單片機(jī) 8 個(gè) I/O 端口分別控制 8 路 LED，每一路都用 100 級(jí) PWM 來(lái)調(diào)節(jié) LED 亮度，每一路亮度值都可通過(guò)從機(jī)按鍵設(shè)置值，也可在主機(jī)觸摸屏上設(shè)置每一路亮度值，也可以直接控制每一路 LED 亮滅，通過(guò) MODBUS 命令下置到從機(jī)單片機(jī)，從機(jī)單片機(jī)根據(jù)亮度值修改 LED 亮度。圖 LED 燈顯示模塊 溫度檢測(cè)模塊溫度的測(cè)量使用了 DS18B20 溫度傳感器。溫度檢測(cè)模塊電路如圖 所示。溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場(chǎng)合時(shí) DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的 DS18B20 溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得 DS18B20 更受歡迎?；趩纹瑱C(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)16DS18B20 的主要特征： (1)、全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 (2)、先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 (3)、最高 12 位分辨率，精度可達(dá)土 攝氏度。 (4)、12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒。 (5)、可選擇寄生工作方式。 (6)、檢測(cè)溫度范圍為 –55176。C ~+125176。C (–67176。F ~+257176。F) (7)、內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能。 (8)、64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接。 (9)、多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。 只需要一條口線通信 多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用 無(wú)需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V 至 V，無(wú)需備用電源，測(cè)量溫度范圍為55 176。 C 至+125 ℃。華氏相當(dāng)于是 67 176。 F 到 257 華氏度，10 176。 C 至+85 176。 C 范圍內(nèi)精度為177。 176。 C。CPU 與 DS18B20 只有一跟數(shù)據(jù)線連接。為讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。 因?yàn)槊恳粋€(gè) DS18B20 的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè)DS18B20 可以同時(shí)存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控