單片機(jī)與觸摸屏基于MODBUS協(xié)議通信的應(yīng)用

黃月明

摘 要：本文以自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)為例，介紹了觸摸屏與單片機(jī)控制系統(tǒng)組成人機(jī)交換界面。重點(diǎn)講述了基于MODBUS RTU協(xié)議的觸摸屏與單片機(jī)的通信方法，并講述應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法，提供了通用的軟件硬件設(shè)計(jì)方法。目前該系統(tǒng)已通過(guò)實(shí)踐證明可以可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：觸摸屏；單片機(jī)控制系統(tǒng)；MODBUS協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)常需要觀察運(yùn)行狀態(tài)或輸入輸出相關(guān)的參數(shù)，觸摸屏能直觀生動(dòng)地顯示運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，具有良好的人機(jī)交互性。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，與觸摸屏配合使用可以構(gòu)成良好的人機(jī)交互界面。但現(xiàn)有工控觸摸屏都只支持與PLC的接口通信，沒(méi)有支持與單片機(jī)的接口通信的工控觸摸屏，故給單片機(jī)和工控觸摸屏組成控制系統(tǒng)帶來(lái)了很大的障礙。本文以自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)項(xiàng)目為例，以MODBUS協(xié)議為載體，搭建單片機(jī)與工控觸摸屏通信的通用平臺(tái)。

一、MODBUS通信協(xié)議介紹

1. MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)述

Modbus協(xié)議是廣泛應(yīng)用于電子控制器上開(kāi)放性通用語(yǔ)言。MODBUS協(xié)議在一根通信線上使用主從應(yīng)答式連接，在一根單獨(dú)的通信線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備，然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。MODBUS協(xié)議只允許在主機(jī)和終端設(shè)備之間通信，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通信線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢(xún)信號(hào)。

2.查詢(xún)

查詢(xún)消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開(kāi)始讀及要讀的寄存器數(shù)量及錯(cuò)誤檢測(cè)。

3.回應(yīng)

如果從設(shè)備產(chǎn)生正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢(xún)消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：如寄存器值或狀態(tài)。如有錯(cuò)誤，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。

4.傳輸方式

傳輸方式是指一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則，下面定義了與MODBUS協(xié)議–RTU方式相兼容的傳輸方式。

每個(gè)字節(jié)的位：

·1個(gè)起始位 ·8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

·無(wú)奇偶校驗(yàn)位 ·1個(gè)停止位

錯(cuò)誤檢測(cè)（Error checking）：CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）

Modbus消息幀的組成

錯(cuò)誤校驗(yàn)（CRC）域占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè)16位的二進(jìn)制值。正常的通信過(guò)程中由于涉及了CRC校驗(yàn)問(wèn)題，而這個(gè)校驗(yàn)過(guò)程是需要占用軟件時(shí)間的，它將影響終端的應(yīng)答速度。本設(shè)計(jì)采用了查表法計(jì)算CRC，速度非常快，能夠滿(mǎn)足高速通信的需要。

5.觸摸屏系統(tǒng)的設(shè)定

本系統(tǒng)觸摸屏采用Easy Builder Pro組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，單片機(jī)作為從機(jī)，觸摸屏作為主機(jī)。觸摸屏設(shè)置為：PLC類(lèi)型為MODBUS_RTU Server，通信口類(lèi)型設(shè)置為RS-232，站號(hào)為0，將波特率9600bit/s，數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)8，校驗(yàn)位0，停止1位。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)以自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)項(xiàng)目為例，用觸摸屏與單片機(jī)控制系統(tǒng)組成人機(jī)交換界面。通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)系統(tǒng)的通信，使用觸摸屏作為單片機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在觸摸屏上控制單片機(jī)系統(tǒng)并可以隨意修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，在實(shí)踐中取得非常令人滿(mǎn)意的效果。

三、實(shí)例分析

1.系統(tǒng)介紹

以自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)項(xiàng)目為例，以單片機(jī)為控制核心，以工控觸摸屏作為輸入輸出設(shè)備，以八路開(kāi)關(guān)及鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)作為控制對(duì)象組成自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)。功能主要為：（1）通過(guò)觸摸屏控制八路獨(dú)立開(kāi)關(guān)。（2）系統(tǒng)溫度由單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20讀取，并經(jīng)觸摸屏顯示。（3）可以在觸摸屏上設(shè)定鼓風(fēng)機(jī)工作的溫度，當(dāng)系統(tǒng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)開(kāi)始工作，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度10C時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止工作，以實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取得非常好的應(yīng)用效果。

2.工控觸摸屏的介紹

采用威綸通MT8000系列工控觸摸屏設(shè)計(jì)，威綸通MT8000工控觸摸屏支持通用、臺(tái)達(dá)、西門(mén)子、歐姆龍、三菱、富士等多種PLC及MODBUS協(xié)議，具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性。

3.單片機(jī)系統(tǒng)的介紹

系統(tǒng)采用IAP15W1K29S系列51單片機(jī)，是性能強(qiáng)大的51單片機(jī)，設(shè)計(jì)中單片機(jī)作為下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和基本數(shù)據(jù)處理及控制功能，觸摸屏作為主機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)定以及報(bào)警功能。采用RS-232通信方式，此接口電路可以實(shí)現(xiàn)RS-232在各種波特率下的穩(wěn)定通信功能。

4.通用平臺(tái)介紹

為了提高程序的通用性、擴(kuò)展性、和可移植性，通過(guò)指針與數(shù)組在單片機(jī)內(nèi)部寄存器與觸摸屏軟元件之間建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。以方便日后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造與升級(jí)，同時(shí)也大大加強(qiáng)本系統(tǒng)的可移植性。

4.1 有關(guān)數(shù)據(jù)宏定義

本系統(tǒng)通信程序所使用數(shù)據(jù)量較大，而且數(shù)據(jù)之問(wèn)關(guān)系較為復(fù)雜，為了能夠方便讀懂?dāng)?shù)據(jù)之間的聯(lián)系，采用較多的宏定義，主要包括以下內(nèi)容：功能碼宏定義。由于MODBUS協(xié)議功能碼有幾十種，在本系統(tǒng)只定義最常用的幾功能碼如：01、05、03、06其他則不列出。

（1）通信數(shù)據(jù)排列意義宏定義。

（2）各種功能指令對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度宏定義。

（3）CRC校驗(yàn)查表數(shù)據(jù)定義。

4.2 系統(tǒng)初始化

本系統(tǒng)程序由多個(gè)子程序構(gòu)成，每個(gè)子程序完成不同的功能，主要由兩大類(lèi)組成，通信子程序及功能子程序，不同的子程序完成不同的功能。

（1）串口通信中斷子程序如下：

本系統(tǒng)由于功能子程序較多，故在通信中斷程序中只實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，其他功能都在功能程序中實(shí)現(xiàn)，以提高效率。

（2）功能子程序

MODBUS協(xié)議支持的功能碼有以下幾種，本系統(tǒng)所取用威綸通MT8000系列觸摸屏支持功能碼及對(duì)應(yīng)元件讀寫(xiě)列表如下：

地址類(lèi)型：0X、4X、4X-BIT、5X、6X（讀/寫(xiě)）；1X、3X、3X-BIT（只讀）。

功能碼：01/05輸入位寄存器、02輸出位寄存器、04輸入寄存器（字）、03/16輸出寄存器（字）。

對(duì)MODBUS RTU設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)，觸摸屏上的元件中使用什么樣的地址類(lèi)型，取決于RTU設(shè)備所支持的功能碼、目標(biāo)對(duì)象是位地址還是字地址控制、以及是否要進(jìn)行寫(xiě)入。如：功能碼05：強(qiáng)制（寫(xiě)）單線圈（輸出）狀態(tài)強(qiáng)制（寫(xiě)）一個(gè)邏輯線圈通斷狀態(tài)（ON/OFF）。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)用單片機(jī)通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)與觸摸屏通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控鼓風(fēng)機(jī)控制，當(dāng)波特率達(dá)到115200bit/s時(shí)本系統(tǒng)通信仍然穩(wěn)定可靠。本系統(tǒng)連接電路簡(jiǎn)單、組態(tài)靈活、通信可靠性高等特點(diǎn)。降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，并提高了設(shè)備的通用性。觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)動(dòng)行中所需要的信息，通過(guò)觸摸屏界面可以方便地進(jìn)行各種工作狀態(tài)設(shè)置，目前該系統(tǒng)已通過(guò)用戶(hù)的驗(yàn)收并投入使用。由于Modbus協(xié)議的開(kāi)放性，國(guó)內(nèi)外的串行通信控制器絕大部份都支持該協(xié)議，因此通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信控制有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3] Easy Builder使用手冊(cè)2014.[Z].