【正文】 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(chǎng)：能源與基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)，以及建筑行業(yè)。目前這方面的協(xié)議比較多，MODBUS 就是其中的一種。然而，子站是采用不同開(kāi)發(fā)平臺(tái)、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(gè)體開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的另一個(gè)主要問(wèn)題是軟件的重復(fù)開(kāi)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)。 目的與意義在現(xiàn)代化工業(yè)控制中, 由于被控對(duì)象、測(cè)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(duì)實(shí)時(shí)性的要求, 不同設(shè)備之間現(xiàn)場(chǎng)交互性信息的傳遞越來(lái)越多。用戶試圖把一個(gè)外來(lái)設(shè)備連接到控制系統(tǒng)里面，使用這個(gè)設(shè)備的 MODBUS 接口被證明是最為容易的辦法。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。最多可以有 127 個(gè) MDS 模件被安裝在一個(gè) MODBUS 網(wǎng)絡(luò)上面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠的控制或是采集整個(gè)工廠的信號(hào)。它也可以被編程用來(lái)執(zhí)行控制功能，例如 PID 控制、ON/OFF 控制、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、診斷以及報(bào)警監(jiān)視等。當(dāng)儀表設(shè)備被連接到一種分散式 I/O 系統(tǒng)的時(shí)候，可以增加更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但是僅僅需要一根對(duì)絞線電纜就可以把所有數(shù)據(jù)傳送到 MODBUS 主站。Modbus 可以支持多種電氣接口，如 RS23RS485 等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。當(dāng)在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。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。為更好地普及和推動(dòng) 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(yǔ)言。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的。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 的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊、通俗易懂。以 MODBUS 網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)連接的時(shí)候，把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)、PLC 或是工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)工廠的連接都能夠從對(duì)絞線電纜控制室直連的方式轉(zhuǎn)變成為 MODBUS 連接方式。另一種“智能化 ”并且具有控制能力的 MODBUS 設(shè)備是來(lái)自于 Moore Industries 公司的 MDS 方程站。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(wú)通訊控制器。通過(guò)對(duì)這些控制器進(jìn)行多分支網(wǎng)絡(luò)連接，可以創(chuàng)造一個(gè)自己的小型分散控制系統(tǒng)。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。但傳基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)3統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件存在著一些問(wèn)題。雖然使用高級(jí)語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)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(duì)源代碼級(jí)的復(fù)用而不是對(duì)可執(zhí)行文件級(jí)的復(fù)用。要為每種協(xié)議寫一個(gè)轉(zhuǎn)換接口或驅(qū)動(dòng)是比較繁瑣的，特別是在站點(diǎn)和協(xié)議較多的時(shí)候。MODBUS 是一種全開(kāi)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(lái),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(guò)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)。基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)4◆ 在能源與基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)、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 。掌握 C51 語(yǔ)言，并完成 MODBUS 通訊程序的編寫。 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(duì)整個(gè) 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(wèn)題。根據(jù)選定的單片機(jī)型號(hào)畫出對(duì)應(yīng)的最小系統(tǒng)以及各個(gè)功能模塊電路圖，畫出PCB 板，搭建硬件調(diào)試環(huán)境。基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)6第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)方案選擇方案一：采用電腦當(dāng)主機(jī)，從機(jī)利用單片機(jī)與電腦通過(guò) RS232 通訊，電腦發(fā)送MODBUS 命令查詢從機(jī)數(shù)據(jù)，從機(jī)接收命令返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，電腦工控軟件刷新從機(jī)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn) MODBUS 通訊器功能。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)。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?；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。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 。三端穩(wěn)壓集成電路 lm7805。液晶顯示模塊及 CPU 引腳接口電路如圖 所示。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。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。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)。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。含有 JTAG 口的芯片種類較多，如 CPU、DSP、CPLD 等。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。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。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。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。 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。帶 A/D 功能，超小封裝。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。超小的體積，超低的硬件開(kāi)消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得 DS18B20 更受歡迎。 (4)、12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒。C (–67176。 (9)、多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。 F 到 257 華氏度，10 176。 C。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。在串行通信的實(shí)現(xiàn)中，本系統(tǒng)采用了串口通信工作方式一，波特率 115200 的方案。由于單片機(jī)需要對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，而處理數(shù)據(jù)幀所需要的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，為了提高單片機(jī)的效率，在串行通信時(shí)，應(yīng)該采用中斷方式接受數(shù)據(jù)幀。必須了解 Modbus 的各個(gè)功能對(duì)應(yīng)的幀格式，理解其含義和本質(zhì)，然后才能找到對(duì)應(yīng)信息去對(duì)其相應(yīng)的處理。對(duì)完整數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，CRC 校驗(yàn)正確的幀執(zhí)行下面的處理步驟，否則丟棄該幀，并通知上位機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)。并執(zhí)行相關(guān)功能。保存修改的參數(shù)可以使之能夠較好的適應(yīng)各種環(huán)境的測(cè)量。開(kāi)始系統(tǒng)初始化讀取 E E P R O M保存的數(shù)據(jù)主機(jī)通過(guò)M O D B U S查詢從機(jī)數(shù)據(jù)液晶屏顯示保存數(shù)據(jù)結(jié)束 EEPROM讀取流程圖ISP/IAP 數(shù)據(jù)寄存器 ISP_DATA：ISP/IAP 操作時(shí)的數(shù)據(jù)寄存器，ISP/IAP 從Flash 讀出數(shù)據(jù)放在此處，向 Flash 寫的數(shù)據(jù)也放在此處。在ISPEN（ ） =1 時(shí)，對(duì) ISP_TRIG 先寫入 5Ah 好，在寫入 A5h，ISP/IAP 命令才會(huì)生效。這里液晶采用 寸 TFT觸摸屏。基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)21數(shù)據(jù)寫入A 0 = 1 ， R D = 1W E = 0 ， C S = 0高半字寫入D 1 5 ~ D 8W E = 1C S = 1C S = 0低半字節(jié)寫入D 7 ~ D 0W E = 1C S = 1結(jié)束數(shù)據(jù)讀取A 0 = 1 ， R D = 0W E = 1 ， C S = 0高半字讀取D 1 5 ~ D 8R D = 1C S = 1C S = 0低半字節(jié)讀取D 7 ~ D 0R D = 1C S = 1結(jié)束圖 液晶讀寫流程圖TFT 驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部有控制寄存器，用戶在使用 TFT 驅(qū)動(dòng)模塊之前以及對(duì)其進(jìn)行操作過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)一些寄存器進(jìn)行寫操作以完成對(duì) LCD 的初始化，或者是完成某些基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)22功能的設(shè)置（如當(dāng)前顯存操作地址設(shè)置等）。TFT 驅(qū)動(dòng)模塊的控制寄存器當(dāng)中，最常被調(diào)用的是寄存器除了對(duì)顯存操作的 0x02寄存器外，還有當(dāng)前顯存地址的寄存器 display RAM bus address counter (AC)，一共由兩個(gè)的寄存器組成，分別存放有 Y Address 和 X Adderss，表示當(dāng)前對(duì)顯存數(shù)據(jù)的讀寫操作是針對(duì)于該地址所指向的顯存單元；而每一個(gè)顯存單元在前面已經(jīng)用圖示意過(guò)，每個(gè)單元有 16 位，最高的 5 位為 R（紅）的分量，最低的 5 位為 B（藍(lán)）的分量，中間 6 位為 G（綠）分量。圖 取消 lm7805 后電源模塊電路基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)24 從機(jī)電路板調(diào)試根據(jù)從機(jī)電路圖焊接最小系統(tǒng)及 max3232 串口芯片，通過(guò)串口下載測(cè)試程序，測(cè)試結(jié)果正常。本系統(tǒng)采用 Keil4 軟件編寫程序，調(diào)試，如圖 。觸屏值不準(zhǔn)將直接導(dǎo)致MODBUS指令錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)使用的觸屏校準(zhǔn)值是一個(gè)負(fù)值，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不能直接存負(fù)值，需要將校準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換成正數(shù)再存入存儲(chǔ)器，讀取時(shí)再轉(zhuǎn)換成負(fù)數(shù)，完成觸屏校準(zhǔn)。 RS232通訊總線接口圖基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)26CRC校驗(yàn)出了問(wèn)題：本系統(tǒng)采用MODBUSRTU通訊協(xié)議，使用CRC 校驗(yàn)，調(diào)試時(shí)一直不能正常通訊，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)是CRC校驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題，由于CRC 高低字節(jié)顛倒，導(dǎo)致不能正常通訊，更正后通訊正常?？梢詫?shí)現(xiàn)讀寫寄存器的功能，參數(shù)的儲(chǔ)存達(dá)到要求，實(shí)時(shí)顯示寄存器的值，實(shí)時(shí)顯示從機(jī)采集到的溫度值。 從機(jī)控制板運(yùn)行實(shí)物圖基于單片機(jī)的 MODBUS 通訊器設(shè)計(jì)28參考文獻(xiàn)[1] 張友德，趙志英，涂時(shí)亮. 單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（第五版）[M]. 復(fù)旦大學(xué)出版社，2022.[2] 朱大奇，鄔勤文，袁芳. 單片機(jī)原理[M]. 應(yīng)用與實(shí)驗(yàn). 科學(xué)出版社，2022.[3] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2022.[4] 張鳳登. 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