【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 串行設備，基于 MODBUS 和單片機技術(shù)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)。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)。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。 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。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。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。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。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。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。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、無線等。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。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。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(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。Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通訊的。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 的幀格式簡單、緊湊、通俗易懂。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(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 設備是來自于 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獨立運行的無通訊控制器。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)。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。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。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，特別是在站點和協(xié)議較多的時候。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。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 。掌握 C51 語言，并完成 MODBUS 通訊程序的編寫。 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(gòu)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。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。基于單片機的 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。權(quán)衡考慮后，方案二實用性更強，所以本系統(tǒng)采用方案二設計。根據(jù)比較，本系統(tǒng)從機主控芯片采用 STC12C5A60S2，利用串口通訊芯片基于單片機的 MODBUS 通訊器設計7MAX3232 與上位機連接，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示?；趩纹瑱C的 MODBUS 通訊器設計9第 3 章 硬件電路設計 主機 CPU 模塊主機 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、低功耗的嵌入式應用專門設計的 ARM CortexM3內(nèi)核。時鐘頻率 72MHz 時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32 功耗 36mA，是32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于 。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。滿足訪問外部設備的時序要求 所有的外部存儲器共享控制器輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號，每個外部設備可以通過一個唯一的片選信號加以區(qū)分。本系統(tǒng)存儲模塊采用 AT45DB161D 存儲芯片，存儲容量為 2M，足夠存儲大量圖片數(shù)據(jù)信息。AT45DB161D 的存儲容量為 17,301,504 位，組織形式為 4,096 頁，每頁 512 或 528 頁。JTAG 編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預編程再裝到板上因此而改變，簡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度。含有 JTAG 口的芯片種類較多，如 CPU、DSP、CPLD 等。寄存器的每一個單元分配給 IC 芯片的相應引腳，每一個獨立的單元稱為 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 接口與從機相連，連接方式采用 RJ45 網(wǎng)絡通訊接口。采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電壓在 至 電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的 RS232 性能，器件僅需四個 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 標準要求的正負 最小發(fā)送器輸出電壓。 C1+V23456Tout7Rin890GNDUSJ ecrFPAXOIHadLE_、圖 串口通訊電路 從機主控模塊從機主控采用 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 8 個 I/O 端口分別控制 8 路 LED，每一路都用 100 級 PWM 來調(diào)節(jié) LED 亮度，每一路亮度值都可通過從機按鍵設置值，也可在主機觸摸屏上設置每一路亮度值，也可以直接控制每一路 LED 亮滅，通過 MODBUS 命令下置到從機單片機，從機單片機根據(jù)亮度值修改 LED 亮度。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得 DS18B20 更受歡迎。 (4)、12 位分辨率時的最大工作周期為 750 毫秒。C (–67176。 (9)、多樣封裝形式，適應不同硬件系統(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。由于單片機需要對數(shù)據(jù)幀進行處理，而處理數(shù)據(jù)幀所需要的時間相對比較長，為了提高單片機的效率，在串行通信時，應該采用中斷方式接受數(shù)據(jù)幀。必須了解 Modbus 的各個功能對應的幀格式，理解其含義和本質(zhì)，然后才能找到對應信息去對其相應的處理。對完整數(shù)據(jù)幀進行CRC校驗，CRC 校驗正確的幀執(zhí)行下面的處理步驟，否則丟棄該幀，并通知上位機重發(fā)數(shù)據(jù)。并執(zhí)行相關功能。保存修改的參數(shù)可以使之能夠較好的適應各種環(huán)境的測量。開始系統(tǒng)初始化讀取 E E P R O M保存的數(shù)據(jù)主機通過M O D B U S查詢從機數(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，對 ISP_TRIG 先寫入 5Ah 好，在寫入 A5h，ISP/IAP 命令才會生效。這里液晶采用 寸 TFT觸摸屏?；趩纹瑱C的 MODBUS 通訊器設計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)動模塊內(nèi)部有控制寄存器，用戶在使用 TFT 驅(qū)動模塊之前以及對其進行操作過程當中，需要對一些寄存器進行寫操作以完成對 LCD 的初始化，或者是完成某些基于單片機的 MODBUS 通訊器設計22功能的設置（如當前顯存操作地址設置等）。TFT 驅(qū)動模塊的控制寄存器當中，最常被調(diào)用的是寄存器除了對顯存操作的 0x02寄存器外，還有當前顯存地址的寄存器 display RAM bus address counter (AC)，一共由兩個的寄存器組成，分別存放有 Y Address 和 X Adderss，表示當前對顯存數(shù)據(jù)的讀寫操作是針對于該地址所指向的顯存單元；而每一個顯存單元在前面已經(jīng)用圖示意過，每個單元有 16 位，最高的 5 位為 R（紅）的分量，最低的 5 位為 B（藍）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的 MODBUS 通訊器設計24 從機電路板調(diào)試根據(jù)從機電路圖焊接最小系統(tǒng)及 max3232 串口芯片，通過串口下載測試程序，測試結(jié)果正常。本系統(tǒng)采用 Keil4 軟件編寫程序，調(diào)試，如圖 。觸屏值不準將直接導致MODBUS指令錯誤，經(jīng)過大量實驗測試，本系統(tǒng)使用的觸屏校準值是一個負值，由于數(shù)據(jù)存儲不能直接存負值，需要將校準值轉(zhuǎn)換成正數(shù)再存入存儲器，讀取時再轉(zhuǎn)換成負數(shù)，完成觸屏校準。 RS232通訊總線接口圖基于單片機的 MODBUS 通訊器設計26CRC校驗出了問題：本系統(tǒng)采用MODBUSRTU通訊協(xié)議，使用CRC 校驗，調(diào)試時一直不能正常通訊，經(jīng)過仔細分析發(fā)現(xiàn)是CRC校驗出現(xiàn)問題，由于CRC 高低字節(jié)顛倒，導致不能正常通訊，更正后通訊正常?？梢詫崿F(xiàn)讀寫寄存器的功能，參數(shù)的儲存達到要求，實時顯示寄存器的值，實時顯示從機采集到的溫度值。 從機控制板運行實物圖基于單片機的 MODBUS 通訊器設計28參考文獻[1] 張友德，趙志英，涂時亮. 單片微型機原理、應用與實驗（第五版）[M]. 復旦大學出版社，2022.[2] 朱大奇，鄔勤文，袁芳. 單片機原理[M]. 應用與實驗. 科學出版社，2022.[3] 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)[M]. 北京航空航天大學出版社，2022.[4] 張鳳登. 現(xiàn)場總線技術(shù)及應用[M]. 科學出版社，2022.[5] 崔堅，西門子工業(yè)網(wǎng)絡通訊指南[M]. 機械工業(yè)出版社[6] 工業(yè)標準通訊 19441948111 期[J][7] MODBUS 協(xié)議在串口通訊中的研究及應用[J][8] MODBUS RTU 協(xié)議在 s7200 中的應用[J][9] MODBUS 通訊協(xié)議及編程[J][10] 工業(yè)以太網(wǎng)入門教程[J][11] 許立梓. 微型計算機原理及應用[M].[12] 劉樂善. 微型計算機接口技術(shù)及應用[M]. [13] 鄒逢興. 計算機硬件技術(shù)基礎試驗教程[M]. [14] 周佩玲 .16 位微型計算機原理接口及其應用[M]. [15] 吳秀清. 微型計算機原理與接口技術(shù)[M].[16] 鄧亞平. 微型計算機接口技術(shù)[M].[17] 周航慈. 單片機應用程序設計技術(shù)[M].北京航空航天大學出版社. 2022[18] 謝宜仁. 單片機實用技術(shù)問答[M].[19] 系列單片機高級實例開發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學出版社[20] 曹琳琳, [M].長沙：國防科技大學出版社基于單片機的 MODBUS 通訊器設計29致 謝通過此次畢業(yè)設計，我更進一步地熟悉了單片機的結(jié)構(gòu)及掌握了單片機的工作原理和其具體的使用方法，了解了單片機程序設計與特點，同時也更加深入的掌握了單片機的相關知識。尤其要強烈感謝我的指導老師—曠永紅老師，她對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，在論文的撰寫和排版的過程中提供熱情的幫助。 //MODBUS