【正文】 STM32 單片機的 MODBUS通訊器畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第 1 章 緒 論 1 概述 ......................................................1 目的與意義 ..........................................2 發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 ..........................3 研究的主要內(nèi)容和步驟 ......................4 主要內(nèi)容 .......................................4 設計的步驟 ...................................4第 2 章 系統(tǒng)設計方案 6 設計方案選擇 .......................................6 芯片選擇 ..............................................6 軟件方案設計 ......................................7第 3 章 硬件電路設計 9 主機 CPU 模塊 ....................................9 電源模塊 ............................................10 液晶顯示模塊 ....................................102 存儲模塊 ............................................12 程序調(diào)試下載模塊 ............................12 串口通訊模塊 ....................................13 從機主控模塊 ....................................14 LED 燈顯示模塊 ................................15 溫度檢測模塊 ....................................15第 4 章 軟件設計 17 串口通信模塊 .....................................17 數(shù)據(jù)幀處理模塊 .................................17 參數(shù)保存模塊 .....................................19 液晶顯示模塊 .....................................20第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 23 硬件調(diào)試 ............................................23 主機電路板調(diào)試 .........................23 從機電路板調(diào)試 .........................24 軟件件調(diào)試 ........................................24 調(diào)試平臺 .....................................24 調(diào)試問題 .....................................25 調(diào)試結果 ............................................26參考文獻 283致 謝 29附錄 1 主機硬件原理圖 30附錄 2 從機硬件原理圖 31附錄 3 主機 PCB 實物圖 32附錄 4 從機 PCB 實物圖 33附錄 5 主機通訊程序代碼 34附錄 6 從機通訊程序代碼 38基于單片機的 MODBUS 通訊器設計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)上的分布式應用，目前施耐德公司已將 Modbus 協(xié)議 的所有權移交給 IDA 組織，并成立了 ModbusIDA 組織，為 Modbus 今后的發(fā)展奠定了基礎。Modbus 協(xié)議是應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)絡和其它設備之間通訊。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通訊的。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，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。當在 Modbus 網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，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，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：標準、開放，用戶可以免費、放心地使用 Modbus 協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權。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 RS23RS485 等，還可以在各種介質上傳送，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)場儀表采用單獨的控制室直連對絞線電纜連接到控制系統(tǒng)。當儀表設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)絡的方式組網(wǎng)連接的時候，把現(xiàn)場設備連接到一個過程控制系統(tǒng)、PLC 或是工業(yè)計算機系統(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變成為 MODBUS 連接方式?；趩纹瑱C的 MODBUS 通訊器設計2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，那就是把控制設備安裝在現(xiàn)場，然后通過 MODBUS 使其與中央控制系統(tǒng)進行通訊。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算。有了 MDS 方程站，在實現(xiàn)簡單控制任務、多變量控制任務（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現(xiàn)質量流量計算）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)絡上面來實現(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獨立運行的無通訊控制器。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運行的儀表注入一些新的活力。通過對這些控制器進行多分支網(wǎng)絡連接，可以創(chuàng)造一個自己的小型分散控制系統(tǒng)。現(xiàn)代的控制領域持續(xù)不斷的產(chǎn)生和應用諸如現(xiàn)場總線和網(wǎng)狀網(wǎng)絡等先進概念，MODBUS 的簡單性以及它的便于在許多通訊媒介上實施應用的特點一直使它受到最廣泛的支持，并且成為全球應用最廣泛的工業(yè)協(xié)議。當使用現(xiàn)有老式控制系統(tǒng)的用戶發(fā)現(xiàn)自己需要擴充現(xiàn)場儀表或者增加遠程控制器的時候，他們都會采用 MODBUS 作為一個能夠解決復雜問題的簡單解決方案。用戶試圖把一個外來設備連接到控制系統(tǒng)里面，使用這個設備的 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?？煽?、價格低廉并且可以連接到控制工業(yè)領域幾乎所有的傳感器和控制設備。MODBUS 廣 泛 的 應 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、測控裝置等物理設備的地域分散性, 以及控制與監(jiān)控等任務對實時性的要求, 不同設備之間現(xiàn)場交互性信息的傳遞越來越多。但傳基于單片機的 MODBUS 通訊器設計3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)過于復雜。這樣使系統(tǒng)的更新、擴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，從而導致大量且煩瑣的軟件和硬件的修改。傳統(tǒng)的工業(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開發(fā)，軟件不能夠復用，資源不能共享，造成大量的人力與物力資源的浪費。雖然使用高級語言函數(shù)庫讓我們可以利用面向對象的繼承等方法大量重用源代碼，但這些復用只是對源代碼級的復用而不是對可執(zhí)行文件級的復用。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)品質量和實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要各站點能互通訊息。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)議組成的結構系統(tǒng)，可能由不同的廠家和個體開發(fā)。要為每種協(xié)議寫一個轉換接口或驅動是比較繁瑣的，特別是在站點和協(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)控制領域中常遇到難點問題之一。比較好的方法是各站點都采用標準協(xié)議進行數(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, 免費提供,非常容易理解和實施的協(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、基礎設施的工業(yè)領域中的數(shù)據(jù)采集和過程控制得到了廣泛應用, 形成了一種事實上的工業(yè)標準。同時， 隨著單片機技術的迅速發(fā)展, 單片機技術已逐步進入工業(yè)自動化領域, 單片機以體積小、質量輕、價格便宜、應用方便等優(yōu)勢。它允許 MODBUS 協(xié)議與單片機 232 接口結合 , 在單片機串口中嵌入 MODBUS信息幀, 成為 MODBUS/RTU 或 MODBUS/ASCII, 在工業(yè)自動化領域中, 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 串行設備，基于 MODBUS 和單片機技術的“透明就緒 ”的廣泛應用可以被歸類到三大市場：能源與基礎設施，工業(yè)，以及建筑行業(yè)。基于單片機的 MODBUS 通訊器設計4◆ 在能源與基礎設施市場，機場、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的統(tǒng)一全局網(wǎng)絡架構?！? 在建筑市場，醫(yī)療機構、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 232 網(wǎng)絡，從而大大的降低了實施費用。 研究的主要內(nèi)容和步驟 主要內(nèi)容查找資料，熟悉單片機的基本結構及功能，熟悉利用STC12C5A60SSTM32F103VET6 單片機進行通訊器的硬件設計。掌握 C51 語言，并完成 MODBUS 通訊程序的編寫。構建各個模塊功能，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。 設計的步驟本次設計的課題是基于單片機的 MODBUS 通訊器的設計，主要的研究方法步驟如下：對整個 MODBUS 通訊協(xié)議的構成、要求、應用等進行大概的了解，明確課題的定位和所要解決的問題。對單片機控制的理論以及涉及到的相關知識進行系統(tǒng)的學習，例如：如何建立單片機 232 通訊，如何利用電腦對單片機編程，常用的編譯軟件，以及通訊所要達到的效果等等。選擇單片機型號，經(jīng)過對常用編譯軟件的相關了解，對單片機性能及控制方法做簡單測試。經(jīng)過之前的理論學習和了解，以及參考大量文獻總結前人經(jīng)驗，初步選型方案選定如下：選用 STM32F103VET6 做主控單片機， 寸 TFT 彩屏做界面顯示，從機采用 STC12C5A60S2 做控制，主控單片機發(fā)送 MODBUS 命令給三個從機，從機基于單片機的 MODBUS 通訊器設計5根據(jù)命令執(zhí)行相應操作，同時從機將采集到的數(shù)據(jù)保存到單片機 RAM 單元中供主機查詢。根據(jù)選定的單片機型號畫出對應的最小系統(tǒng)以及各個功能模塊電路圖，畫出PCB 板，搭建硬件調(diào)試環(huán)境。軟件調(diào)試，首先利用電腦做 MODBUS 主機，分別調(diào)試主機控制板和從機控制板，確保軟硬件完美結合。綜合調(diào)試，主機控制板與從機控制板進行 MODBUS 通訊，分別控制各個功能塊。對設計的結果進行分析和總結?；趩纹瑱C的 MODBUS 通訊器設計6第 2 章 系統(tǒng)設計方案 設計方案選擇方案一：采用電腦當主機，從機利用單片機與電腦通過 RS232 通訊，電腦發(fā)送MODBUS 命令查詢從機數(shù)據(jù)，從機接收命令返回相應數(shù)據(jù)，電腦工控軟件刷新從機數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn) MODBUS 通訊器功能。方案二：單片機做主機，利用顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示界面，