【正文】 .............. 28 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 I 基于單片機的 MODBUS 通訊器的設(shè)計 摘 要 :隨著現(xiàn)場總線在工業(yè)應(yīng)用中的越來越廣泛，越來越普及， Modbus 作為其中的一種簡單協(xié)議也 受到不少的歡迎。 本系統(tǒng) 從機以STC12C5A60S2 為基本平臺， 利用 RS232 串口 實現(xiàn)與上位機通訊 ， 用單片機的 內(nèi)部 RAM 寄存器 模擬協(xié)議中的 寄存器 ，根據(jù)寄存器的值調(diào)節(jié)單片機 PWM 輸出，改變 LED 燈的亮度，單片機 讀取實時溫度 。 另外本系統(tǒng) 還 具有掉電 保存、溫度報警 功能 。為更好地普及和推動 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)。通過此協(xié)議， 控制器 相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間 通 訊 。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) ，進行集中監(jiān)控。它描述了 控制器 請求訪問其它設(shè)備的過程，如何 回 應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。 當在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時，此 協(xié)議 決定了每個 控制器 須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。 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(quán)。 Modbus 可以支持多種電氣接口，如 RS23 RS485 等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。當儀表設(shè)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(shè)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。 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)。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。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。最多可以有 127 個 MDS 模件被安裝在一個MODBUS 網(wǎng)絡(luò)上面來實現(xiàn)對工廠的控制或是采集整個工廠的信號。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。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。 現(xiàn)代 的控制領(lǐng)域持續(xù)不斷的產(chǎn)生和應(yīng)用諸如現(xiàn)場總線和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的特點一直使它受到最廣泛的支持，并且成為全球應(yīng)用最廣泛的工業(yè)協(xié)議。用戶試圖把一個外來設(shè)備連接到控制系統(tǒng)里面，使用這個設(shè)備的 MODBUS 接口被證明是最為容易的辦法。 MODBUS 便于使用、非常可靠、價格低廉并且可以連接到控制工業(yè)領(lǐng)域幾乎所有的傳感器 和控制設(shè)備。 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(shè)備的地域分散性 , 以及控制與監(jiān)控等任務(wù)對實時性的要求 , 不同設(shè)備之間現(xiàn)場交互性信息的傳遞越來越多。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(fù)雜。傳統(tǒng)的 工 3 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(fù)開發(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。 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(zhì)量和實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要各站點能互通訊息。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)。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(lǐng)域中常遇到難點問題之一。目前這方面的協(xié)議比較多， MODBUS 就是其中的一種。同時， 隨著單片機技術(shù)的迅速發(fā)展 , 單片機技術(shù)已逐步進入工業(yè)自動化領(lǐng)域 , 單片機以體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、應(yīng)用方便等優(yōu)勢。 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 和單片機技術(shù)的―透明就緒 ‖的廣泛應(yīng)用可以被歸類到三大市場：能源與基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)，以及建筑行業(yè)。 ◆ 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(luò)架構(gòu) 。 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(jié)構(gòu)及功能，熟悉利用 STC12C5A60SSTM32F103VET6 單片機進行通 訊 器的硬件設(shè)計。 構(gòu)建各個模塊功能， 利用 Altium designer 軟件畫原理圖及 PCB。 搭建測試平臺，通 訊 器軟硬件調(diào)試。 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。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。 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。對設(shè)計的結(jié)果進行分析和總結(jié)。 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。 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。 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。 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 7 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 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。 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 。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。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。 STM32F103VET6 外圍電路設(shè)計簡單，芯片最小系統(tǒng)電路如圖 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。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。 10 OUT3IN1GND2U1LM7805IN3GND1OUT2U2 LT1117GND GND10uFC210uFC3912VGNDGND GND GND10uFC1GND3V3VCC3V3GND10uFC1310nFC1410nFC15100nFC1610uFC1710uHL110uHL210RR110RR2GND3V3 VDDA VREF+VREFVSSAD1POWER470RR143V3GNDGND912V電源123P4Header 3100nFC4100nFC5100nFC6100nFC7100nFC8100nFC9100nFC10100nFC11100nFC12 圖 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 。 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 。 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）， FSMC 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?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議 。 界面顯示如圖 、 所示 。 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。 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。 RapidS 串行接口兼容 SPI，最高頻率可達 66MHz。 SI1SCK2RESET3CS4WP5VCC6GND7SO8U4AT45DB161D3V33V3GNDPA4PA5PA6PA7SPI1_NSSSPI1_SCKSPI1_MOSI SPI1_MISO存儲 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 )是一種國際標準測試協(xié)議（ IEEE 兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。標準的 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 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進行 編程 。 可選 引腳 TRST——測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。 JTAG 內(nèi)部有一個 狀態(tài)機 ，稱為 TAP 控制器。 JTAG 標準定義了一個串行的 移位寄存器 。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 寄存器通過 JTAG 測試激活，平時這些 引腳 保持正常的 IC 功能。 Vref1Vsupply