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正文內(nèi)容

stm32單片機的modbus通訊器畢業(yè)論文正稿(編輯修改稿)

2025-07-17 12:58 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 通訊器。搭建測試平臺,通訊器軟硬件調(diào)試。 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。對單片機控制的理論以及涉及到的相關(guān)知識進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí),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(guān)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(xué)習(xí)和了解,以及參考大量文獻總結(jié)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,從機根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)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(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。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(jié)合。. . . . .學(xué)習(xí)參考綜合調(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(shè)計的結(jié)果進行分析和總結(jié)。. . . . .學(xué)習(xí)參考第 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。方案二:單片機做主機,利用顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示界面,主機單片機發(fā)送MODBUS 命令給從機,從機返回數(shù)據(jù)給主機單片機,主機控制液晶屏刷新從機數(shù)據(jù),實現(xiàn) MODBUS 通訊器功能。方案一連接簡單,操作方便,只需開發(fā)從機模塊與電腦通訊,只需編寫從機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,單片機做主機,同時開發(fā)主機與從機,需要編寫主機和從機 MODBUS 通訊協(xié)議,難度偏大。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。 芯片選擇由于主機液晶顯示采用 寸 TFT 觸摸屏,對主機 CPU 控制器要求較高,故主機主控芯片采用 STM32 系列的 STM32F103RBT6 芯片。從機主控芯片則有兩種選擇: STM 系列的 STM8S105K4,此芯片編程簡單,單片機價格便宜,與傳統(tǒng) 51 單片機編程方法兼容,內(nèi)部資源豐富,下載程序簡單,可在線調(diào)試,但需特定下載器,而且下載器價格昂貴。 STC 系列的 STC12C5A60S2,此芯片編程簡單,價格便宜,與傳統(tǒng) 51 單片機編程方法兼容,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,經(jīng)濟實惠。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。主機從機 1 從機 2 從機 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. . . . .學(xué)習(xí)參考 軟件方案設(shè)計本系統(tǒng)主機基于 STM32 單片機平臺,從機基于 STC 單片機平臺,利用其中的RS232,主機發(fā)送 MODBUS 命令查詢從機數(shù)據(jù),主機根據(jù)觸摸屏定義的功能,下置數(shù)據(jù)到從機寄存器,改變從機寄存器模擬量的值,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 測量溫度,通過 Modbus 實現(xiàn)溫度報警等功能,然后利用 寸 TFT 觸摸屏實時顯示通訊狀態(tài)、LED 燈的狀態(tài)、實時溫度值。圖 為軟件的總體流程圖。開始系統(tǒng)初始化主機發(fā)送查詢命令從機接收命令匹配地址地址匹配的從機返回數(shù)據(jù)液晶屏刷新對應(yīng)從機數(shù)據(jù)圖 軟件總體流程圖。. . . . .學(xué)習(xí)參考第 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。按性能分成兩個不同的系列:STM32F103“增強型”系列和 STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到 72MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品;基本型時鐘頻率為 36MHz,以 16 位產(chǎn)品的價格得到比 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 。STM32F103VET6 外圍電路設(shè)計簡單,芯片最小系統(tǒng)電路如圖 所示。. . . . .學(xué)習(xí)參考PE213456VBATCMR7OS_IN8U90DF+WKYpGnJLHXZ、如圖 STM32F103VET6 最小系統(tǒng)電路 電源模塊主機系統(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。. . . . .學(xué)習(xí)參考OUT3IN1GD2LM7805uFC9Vn46HRAE+SPW、eadr圖 電源模塊電路圖 液晶顯示模塊主機系統(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 寸模塊進行操作時,實際上是對 LCD 控制器的控制寄存器、顯示數(shù)據(jù)存儲器進行操作。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顯示圖層:一個背景層,一個前景層。兩個圖層都具備 16 位真彩的顯示能力。本系統(tǒng)直接采用 STM32 單片機驅(qū)動液晶屏, STM32 單片機內(nèi)部帶有靜態(tài)存儲器控制器(FSMC ),F(xiàn)SMC 模塊能夠與同步或異步存儲器和 16 位 PC 存儲器卡接口,它的主要作用是:將 AHB 總線傳輸信號轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議 。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。界面顯示如圖 、 所示。. . . . .學(xué)習(xí)參考 圖 開機界面 圖 主界面1234567890PDEVGNBRSTCLAKIHUYF_WMOeadrX、圖 TFT 液晶及 CPU 引腳接口 存儲模塊由于主機采用 寸 TFT 觸摸屏作為界面顯示,像素點為 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)采用了外擴存儲器的方法存儲圖片數(shù)據(jù)。圖片數(shù)據(jù)存入存儲芯片的固定地址,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)存儲模塊采用 AT45DB161D 存儲芯片,存儲容量為 2M,足夠存儲大量圖. . . . .學(xué)習(xí)參考片數(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 存儲器,是各種數(shù)字語音,圖像,程序代碼和數(shù)據(jù)存儲應(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 66MHz。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。 SI1CK2RET34WP5V6GND7O8UAB_M、圖 存儲模塊 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)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議(IEEE 兼容) ,主要用于芯片內(nèi)部測試?,F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 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。JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進行 編程。具有 JTAG 口的芯片都有如下 JTAG 引腳定義:TCK——測試時鐘輸入;TDI——測試數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)通過 TDI 輸入 JTAG 口;TDO——測試數(shù)據(jù)輸出,數(shù)據(jù)通過 TDO 從 JTAG 口輸出;TMS——測試模式選擇,TMS 用來設(shè)置 JTAG 口處于某種特定的測試模式。可選引腳 TRST——測試復(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)部有一個狀態(tài)機,稱為 TAP 控制器。TAP 控制器的狀態(tài)機通過 TCK 和TMS 進行狀態(tài)的改變,實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入。JTAG 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個串行的移位寄存器。寄存器的每一個單元分配給 IC 芯片的相應(yīng)引腳,每一個獨立的單元稱為 BSC(BoundaryScan Cell)邊界掃描單元。這個串聯(lián)的 BSC 在 IC 內(nèi)部構(gòu)成 JTAG 回路,所有的 BSR(BoundaryScan Register)邊界掃描. . . . .學(xué)習(xí)參考寄存器通過 JTAG 測試激活,平時這些引腳保持正常的 IC 功能。JTAG 的系統(tǒng)板設(shè)計和連線關(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設(shè)計的最重要的部分,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。下面簡單介紹 MAX3232 芯片。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。 MAX3232 確保在120kbps 數(shù)據(jù)速率,同時保持 RS232 輸出電平。MAX3232 具有二路接收器和二路驅(qū)動器,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),對外部設(shè)備進行監(jiān)測,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 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 ,即可關(guān)閉電荷泵,每個電壓需要一個電容器和一個儲能電容,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。.
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