【正文】 本系統(tǒng)上位機 以 STM32F103RBT6 為平臺 ， 通過 寸 TFT 觸摸屏 實現(xiàn) 查詢從機、設(shè)置從機參數(shù) 等功能 ，實時顯示從機的通訊狀態(tài)、寄存器的值、溫度 測量值 。 Modbus 協(xié)議 是應(yīng)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(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 的幀格式簡單、緊湊 、 通俗易懂。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(shè)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(luò)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(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。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(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 , 形成了一種事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 ◆ 在能源與基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計的步驟 本次設(shè)計的課題是基于單片機的 MODBUS 通訊器的設(shè)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(yīng)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(yīng)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。 6 第 2 章 系統(tǒng) 設(shè)計 方案 設(shè)計方案 選擇 方案一：采用電腦當(dāng)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(yīng)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(shè)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 MAX3232與上位機連接，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 8 第 3 章 硬件電路 設(shè)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(yīng)用專門設(shè)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(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。 滿足訪問外部設(shè)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(shè)備可以通過一個唯一的片選信號加以區(qū)分。 12 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(yù)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 13 應(yīng) 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(luò)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(biāo)準(zhǔn)要求的正負(fù) 最小發(fā)送器輸出電壓。 C1+1V+2C13C2+4C25V6T2out7R2in8R2out9T2in10T1in11R1out12R1in13T1out14GND15VCC16U5ST32321234567891110J2D Connector 93V3GND100nFC23100nFC24100nFC25100nFC26GNDPA2PA3PA9PA10U1TXU1RXU2RXU2TXT2OUTT2OUTR2INR2INGND12345678910111213141516P2Header 16HGNDT1OUTR1INR1INT1OUT470RR20470RR213V33V3LED_LEFTLED_RIGHTPC0PC1232 通訊 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(shè)置值， 也可在主機觸摸屏上設(shè)置每一路亮度值，也可以直接控制每 一路 LED 亮滅，通過 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。 位分辨率時的最大工作周期為 750 毫秒。C (–67176。 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(yīng)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(yīng)的幀格式 ，理解其含義和本質(zhì)，然后才能 找到對應(yīng)信息去對其相應(yīng)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(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)境的測量。 EEPROM數(shù)據(jù)讀取流程圖如圖 。 ISP/IAP 命令觸發(fā)寄存器 ISP_TRIG：操作時的命令觸發(fā)寄存器。 圖 STC內(nèi)部 EEPROM部分 地址 液晶顯示模塊 本系統(tǒng)為了方便現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)和調(diào)試，加上了液晶顯示。 TFT 驅(qū)動模塊的操作主要分為兩種，一是對控制寄存器的地址寫入，二是對數(shù)據(jù)的讀寫操作； A0 控制線的高低電平狀態(tài)來區(qū)別當(dāng)前的總線操作是對控制寄存器的地址寫入還是對所指向的寄存器進行數(shù)據(jù)操作：當(dāng) A0 為低電平時，表示當(dāng)前的總線操作是對控制寄存器的地址進行操作；當(dāng) A0 為高電平時，表示為對數(shù)據(jù)寫入 /讀出操作，如圖 所示。 在 A0 為高電平的狀態(tài)下，寫入兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，第一字節(jié)為高八位，第二字節(jié)為低八位；如要讀出指定寄存器的數(shù)據(jù)，則需要連續(xù)三次讀操作方能完成一次讀出操作，第一個字節(jié)為無效數(shù)據(jù)，第二字節(jié)為高八位，第三字節(jié)為低八位。 圖 JTAG 更改的實物圖 系統(tǒng)能夠正常下載后，將電路板焊接完整 ，主機板整體調(diào)試， TFT 觸摸屏顯示一張完整的圖片，發(fā)現(xiàn) Lm7805 發(fā)熱嚴(yán)重，燙手 ，仔細(xì)查看原因，是由于 主機系統(tǒng)加入了 寸 TFT 觸摸屏耗電量大，實測電流為 290MA， 電源供電芯片 LM7805 的 靜態(tài)電流變化率為 500MA， 沒有加散熱片，才會有此現(xiàn)象， 經(jīng)過考慮， 本系統(tǒng) 取消了 Lm7805，直接將電源輸入降至 5V，取消 LM7805 后主機電路板電源電路如圖 所示， 主控電路板經(jīng)過上述修改后正常運行。 圖 更改后的 DS18B20實物圖 軟件件調(diào)試 調(diào)試平臺 軟件調(diào)試也是此系統(tǒng)最關(guān)鍵的一步了，也是有難度的一步。 關(guān)于觸摸屏校準(zhǔn)： 本系統(tǒng)主機采用 TFT觸摸屏顯示通訊內(nèi)容，由觸摸屏 確定MODBUS指令，觸屏校準(zhǔn)是一個難題，系統(tǒng)開機讀取存儲器里校準(zhǔn)好的校準(zhǔn)值，不必每次開機進行校準(zhǔn)。 RS232通訊總線接口如圖 。 調(diào)試結(jié)果 在對硬件和軟件綜合調(diào)試后，經(jīng)上位機驗證， 達到了本次設(shè)計要求 。 從機控制板實時顯示溫度值，將采集到的溫度值存入 MODBUS寄存器，供主機查詢，8個 LED燈亮度分別反映 MODBUS內(nèi)部寄存器模擬量，可通過按鍵操作修改 MODBUS內(nèi)部寄存器值，從機控制板運行實物圖如圖 。 主機控制板運行實物圖如圖 、 。 關(guān)于 EEPROM： 從機采用的是主控芯片內(nèi)部自帶的 EEPROM，調(diào)試時出現(xiàn)保存數(shù)據(jù)后，上電讀取數(shù)據(jù)錯誤，仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)時 EEPROM內(nèi)部存儲地址錯誤， 更 正后 數(shù)據(jù)正常保存。 關(guān)于串口： 本系統(tǒng)通訊總線采用 RS232總線，一片 MAX3232做主機通訊接口，另外三 片 作為從機通訊接口， RS232總線直接使用 RS232電平通訊， 在 調(diào)試時發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng) RS232通訊存在很大隱患， 由于主機的 RXD和 TXD與從機的 RXD和 TXD是交叉連接，主機發(fā)送MODBUS命令后，從機接收到數(shù)據(jù)，匹配地址后返回數(shù)據(jù)，地址只能匹配一個從機，只有一個從機能返回數(shù)據(jù)，而不返回數(shù)據(jù)的從機已經(jīng)將 TXD數(shù)據(jù)線拉低，電平?jīng)_突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能發(fā)出，主機接不到從機返回數(shù)據(jù)。 圖 調(diào)試平臺 25 調(diào)試問題 關(guān)于工程的建立 ： .C、 .h文件的處理。將電路板焊接 完整，測試整塊電路板功能，發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)不能正常讀取，檢查發(fā)現(xiàn)溫度檢測芯片封裝出現(xiàn)問題， VCC 引腳與 GND 引腳接反，重新?lián)Q過 DS18B20，更改 DS18B20 安裝方向后，數(shù)據(jù)讀取正常。如圖 所示 。 對控制寄存器進行操作前，需要先對控制寄存器地址進行寫入操作，以指明接下去的數(shù)據(jù)操作是針對哪一個寄存器的。通過取字幕軟件可以提取漢字、字母、圖形的編碼，然后通過 彩屏 顯示。 ISP/IAP 命令寄存器 ISP_CONTR：用于配置 ISP/IAP。 ISP/IAP 地址寄存器 ISP_ADDRH 和 ISP_ADDRL：用于存放 EEPROM 要尋址的地址，復(fù)位后為 0000H。由于需要保存的參數(shù)較少， 直 接使用片內(nèi)的 EEPROM 來保存修改的參數(shù)。 圖 開 始是 否 接 收 完 ？地 址 是 否 匹 配 ？C R C 是 否 校 驗正 確 ？數(shù) 據(jù) 處 理向 上 位 機返 回 數(shù) 據(jù)結(jié) 束NYYNNY 圖 數(shù)據(jù)幀處理流程圖 上位機 對 發(fā)回來的幀進行處理，判斷是否正確 后 執(zhí)行 對應(yīng) 的處理。在前提條件滿足的情況下才能提取功能位和數(shù)據(jù)位。 數(shù)據(jù)幀 10 位， 1 個起始位， 8 個數(shù)據(jù)位， 1 個停止位，無校驗。所以中斷函數(shù)只負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù)幀，而對于接收數(shù)據(jù)幀的處理則放在主函數(shù)里。 TMOD（定時器寄存 器） GATE C/T* M1 M0 GATE C/T* M1 M0 T1 方式字段 T0 方式字段 TMOD |= 0X20 即定時器 T1 工作在方式 2（自動重裝的 8 位定時器）。 GND1DQ2VCC3U318B20R19VCCGNDTEMP 圖 溫度檢測模塊 17 第 4 章 軟件 設(shè)計 串口通信模塊 串行通信是實現(xiàn)單片機與 PC 及通信的一種基本方式。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。 C 范圍內(nèi)精度為 177。 C 至+125 ℃ 。F) 內(nèi)置 EEPROM，限溫報警功能。 檢測溫度范圍為 –55176。