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PIC单片机与触摸屏串行通信MODBUS协议

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工控中经常需要观察系统的运行状态或者修改运行参数。触摸屏能够直观、生动地显示运行参数和运行状态,而且通过触摸屏画面可以直接修改系统运行参数,人机交互性好。单片机广泛应用于工控领域中,与触摸屏配合,可组成良好的人机交互环境。触摸屏和单片机,需要根据触摸屏采用的通信协议为单片机编写相应的通信程序。Modbus协议是美国Modicon公司推出的一种有效支持控制器之间以及控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间进行通信的协议。本文以PIC16F877单片机和人机电子有限公司的eView MT510T型触摸屏为例,介绍其通信程序的开发过程。  

       1 系统结构  

       实现触摸屏与单片机的通讯,主要是解决通讯协议的问题。本文使用开放的Modbus通讯协议,以触摸屏作主站,单片机作从站。eView触摸屏本身支持Modbus通讯协议,如果单片机也支持Modbus协议,就可以进行通信了。触摸屏与单片机之间采用的RS-232C兼容接口直接连接,传输速率设置为9600kb/s。图1为该系统的电路图。  


       将PIC16F877单片机RC6、RC7口设置为异步串行通信模式,经过MAX232芯片将TTL电平转换为RS232电平,再与eView触摸屏PLC[RS-232]接口相连,即完成了硬件连接。eView触摸屏PLC[RS-232]接口的管脚2为TXD,管脚3为RXD。  

       2 Modbus通信协议介绍  

       Modbus通信协议是一种串行的主从通信协议,网络里仅有一台设置可作为主机(称Master),其它设备作为从机(称Slaver),主机不需编号,从机必须编号。协议定义了主机查询及从机应答的信息帧格式。通信时,主机首先向从机发出请求信息,符合相应地址码的从机接收通讯命令,并除去地址码,读取信息,如果没有出错,则执行相应的任务,然后把执行结果返给主机。若从机接收到的校验码与本机计算的不同,则说明
数据在通信过程中出现错误,从机把这次请求视为无效,功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的,同时数据段包含了描述此错误信息的代码。当主机收到这一信息时,会重新发送请求信息。校验方式分为LCR(传送数据为ACSII时)校验或CRC(传送数据为二进制时)校验,这里采用CRC校验方式。  

       信息传输为异步方式,并以字节为单位。主从站之间通讯的字格式如表1所示。  


       Modbus协议可支持ASCII码或二进制格式的数据传输。ACSII码方式下每一个字节数据分两个字节传送,二进制方式下用一个字节传送,为了减少数据传输量,一般选二进制数据方式。各个区允许发送的字节均为16进制的0~9,A~F。二进制信息帧标准结构为:  

       初始结构 ≥4字节的时间  

       地址码 1字节  

       功能码 1字节  

       数据区 N字节  

       错误校验 16位CRC码  

       结束结构 ≥4字节的时间  

       二进制模式中,信息开始至少需要3.5个字符的静止时间,依据使用的波特率,很容易计算这个静止时间。发送完最后一个字符后,也有一个至少3.5个字符的静止时间,然后才能发送一个新的信息。网络上的设备连续监测网络上的信息,包括静止时间。   

       3 单片机与触摸屏地址的对应关系  

       eView触摸屏只支持Bit和Word地址类型,而实际的单片机或其它控制器还有Byte、Double Word等表示方法,因此在进行通信时,需要把单片机和触摸屏的数据进行变换。触摸屏画面元件读取地址的设备类型有LW、0x、1x、3x、4x、RWI、RW等选项。其中,LW表示该元件读取的是触摸屏内部的地址,如其它元件的地址;0x表示读取的是控制器的输出信号;1x表示读取的控制器的输入信号;3x和4x指控制器的寄存器地址类型,其中4x是可读可写的,3x是只读的;RWI、RW都是触摸屏的内部地址,起辅助作用。使用这些读取地址的设备类型,触摸屏即可显示或设定控制器寄存器或I/O口的数值。以“数值输入”元件为例,通过“小键盘”输入数据即可设置单片机寄存器或I/O口的数值。如果启动了“触发地址”,那么当被触控时,输入的数据就被存放到了指定的单片机地址中。  

       4 通信程序的开发  

       触摸屏与单片机的通信程序采用PIC单片机C语言编写。编译工具选择Hitech公司的PICC编译器。程序共分三大模块,即初始化模块、数据接收模块以及数据处理及发送模块。主程序流程图如图2所示。

 

       PIC16F877单片机USART功能模块带有一个八位的波特率发生器BRG,BRG支持USART的同步和异步工作方式。用SPBRG寄存器控制一个独立的八位定时器的周期。在异步方式下,发送状态/控制寄存器TXSTA的BRGH位(即D2)被用来控制波特率。对串行口进行的初始化如下:

       数据接收模块由一个中断函数组成。该中断函数将触摸屏发来的Modbus数据帧存储在一个自定义的数组中,当一帧数据接收完时,置接收结束标志位为1,转入数据处理及发送模块。串行通信接收器的核心是接收移位寄存器RSR,当接收到停止时,如果RCREG缓冲器为空,RSR就把接收到的数据送入RCREG。传送完成后,接收中断标志位RCIF被置1。实际的中断是否被CPU响应,可以通过设置外围接口中断允许寄存器PIE1的中断允许位RCIE来控制。   

       数据处理及发送模块执行Modbus协议功能码对应的运用。eView触摸屏与单片机以Modbus协议通信,用到的Modbus功能码如表2所示。  

       以Modbus功能码03为例来说明触摸屏及单片机的实际通信数据格式。如单片机地址编号为01H,触摸屏需要查看单片机中地址为0031H的寄存器的值,发送命令格式如表3所示。  

       假设单片机中地址为0031H的寄存器中断为05H,则单片机的回复命令如表4所示。  

       当波特率达到38400kb/s时,通信仍然稳定可靠。本系统具有连接电路简单、组态灵活、通信可靠性高等特点,并已成功应用于物料筛选控制系统项目中。由于Modbus通信协议的开放性的特点,国外进口控制器串行通信大者支持该协议,因此本文所实现的采用Modbus协议的串行通信具有广泛的应用价值。

来源:   作者:  2006/9/25 16:50:53
栏目: [ PIC单片机的应用]

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