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[分享] 基于Modbus通信协议的eView触摸屏与51单片机的通信设计

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发表于 2020-2-3 21:53 | 只看该作者 |倒序浏览 |阅读模式

Modbus协议由于其具有开放性、透明性、成本低、易于开发等特点,已成为当今工业领域通信协议的首选。
  本文介绍了一种基于Modbus通信协议的eView触摸屏与常用的51单片机的通信方法。该方法通过C51编程实现Modbus通信,在51系列单片机上具有通用性,有一定的借鉴作用。
  工业控制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。
  触摸屏与单片机通信,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(如以太网)与其他设备之间进行通信的协议。本文以STC89C51单片机和人机电子有限公司的eView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信,主要是解决通信协议的问题。本文使用开放的Modbus通信协议,以触摸屏作主站,单片机作从站。eView触摸屏本身支持Modbus通信协议,如果单片机也支持Modbus协议,就可以进行通信了。eview触摸屏支持RS-232和RS-485两种通信接口。在工业控制领域,由于RS-485具有可靠性高、传输距离远、抗干扰能力强等优点,所以在本系统中触摸屏与单片机通信采用RS-485连接,传输速率设置为 9600 kbps。RS-485信号传输是一种半双工的传输方式,单片机通过一个RS-232/RS-485无源转换器把232信号转换成485信号,连接到 eView触摸屏上。图l为该系统的原理图。
  

  单片机控制系统采用STC89C51系列单片机,其内部集成MAX810/STC810专用复位电路(原有外部复位可继续保留,与Intel 8051引脚兼容),具有抗干扰能力强、加密性强、高抗静电(ESD)、超低功耗等特点,而且价格低廉。在本系统中,触摸屏是上位机,单片机是下位机。
  2 Modbus协议
  2.1 Modbus协议简介
  Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(如以太网)与其他设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。不同厂商生产的控制设备可以通过它连成工业网络,集中监控。
  Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其他设备的过程。如何回应来自其他设备的请求,以及怎样侦测错误并记录;制定了消息域格局和内容的公共格式。
  当在某一Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,以及决定要产生何种行动。如果需要回应,则控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其他网络上,包含了M0dhus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。
  2.2 Modbus RTU通信数据传输模式
  当控制器设备基于Modbus协议以RTU模式通信时,消息中的每个字节包含2个4位的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。
  编码采用8位二进制,十六进制数0~9和A~F;消息中每个8位域都是由2个十六进制字符组成。组织结构如下:


  2.3 Modbus RTU消息帧结构
  Modbus RTU消息帧结构如下:


  (1)地址码
  地址码为通信传送的第一个字节。这个宁节表明,由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都有具有唯一的地址码,只有符合地址码的从机才能响应回送,且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码则表明将发送到的从机地址,而从机发送的地址码表明回送的从机地址。地址0用作广播地址,以使所有的从设备都能认识。
  (2)功能代码
  功能代码为通信传送的第二个字节。Modbus通信规约定义可能的代码范围是十进制的1~255。当然,有些代码适用于所有控制器,有些仅适用于某种控制器,还有些保留以备后用。主机发送请求,通过功能码告诉从机执行什么动作;从机响应请求,从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样,表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为1,则表明从机没有响应操作或发送出错,主设备应用程序得到异议的回应后,典型的处理是重发消息。表l列出了常用Modbus支持的部分功能码。
 

     以读取线圈状态为例说明。主站发送命令:[设备地址][命令号01][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位] [CRC校验的低8位][高8位]。从站响应:[设备地址][命令号01][返回的字节个数][数据1][数据2]…[数据n][CRC校验的低8位] [高8位]。
  (3)数据区
  数据区根据功能码的不同而不同。数据区包含需要从机执行什么动作,或由从机采集的返送信息。这些信息可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址等。例如,功能码告诉从机读取寄存器的值,则数据区必须包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机,地址和数据信息都不相同。
  (4)错误校验码
  主机或从机可用校验码判别接收信息是否出错。错误检测域包含一个16位的值(用2个8位的字符来实现)。错误检测域的内容是通过对消息内容进行 “循环冗余检测”得出的。CRC域附加在消息的最后,添加时先是低字节然后是高字节,故CRC的高位字节是发送消息的最后一个宁节。错误校验采用CRC- 16校验方法。
  3 软件编程
  下面是采用C5l编写的软件,主要包括CRC校验和终端接收及波特率设置等。由于篇幅有限,其他程序略。
    

  

  4 总 结
  由于Modhus协议具有开放性和透明性等特点,而51系列单片机技术成熟、开发成本低,二者的结合将继续成为各类通信系统设计的首选。本设计方法已经应用于触摸屏与单片机通信设计,并取得了较好效果。这种方法对于编制类似的通信软件有一定的借鉴作用,部分程序可以直接移植。

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