PIC單片機與觸摸屏串行通信的MODBUS協(xié)議實現(xiàn)

摘要：介紹一種在PIC單片機與觸摸屏之間采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)異步串行通信的方法。簡單介紹了Modbus通信協(xié)議，給出了硬件電路連接圖、程序流程圖以及用PIC單片機C語言編寫的部分通信程序。實際使用證明該方法數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，并提供了良好的人機交互環(huán)境。 關(guān)鍵詞：觸摸屏 PIC單片機 Modbus協(xié)議 通信 工控中經(jīng)常需要觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)或者修改運行參數(shù)。觸摸屏能夠直觀、生動地顯示運行參數(shù)和運行狀態(tài)，而且通過觸摸屏畫面可以直接修改系統(tǒng)運行參數(shù)，人機交互性好。單片機廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域中，與觸摸屏配合，可組成良好的人機交互環(huán)境。觸摸屏和單片機通信，需要根據(jù)觸摸屏采用的通信協(xié)議為單片機編寫相應(yīng)的通信程序。Modbus協(xié)議是美國Modicon公司推出的一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間進行通信的協(xié)議。本文以PIC16F877單片機和人機電子有限公司的eView MT510T型觸摸屏為例，介紹其通信程序的開發(fā)過程。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)觸摸屏與單片機的通訊，主要是解決通訊協(xié)議的問題。本文使用開放的Modbus通訊協(xié)議，以觸摸屏作主站，單片機作從站。eView觸摸屏本身支持 Modbus通訊協(xié)議，如果單片機也支持Modbus協(xié)議，就可以進行通信了。觸摸屏與單片機之間采用的RS-232C兼容接口直接連接，傳輸速率設(shè)置為 9600kb/s。圖1為該系統(tǒng)的電路圖。 將PIC16F877單片機RC6、RC7口設(shè)置為異步串行通信模式，經(jīng)過MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，再與eView觸摸屏 PLC[RS-232]接口相連，即完成了硬件連接。eView觸摸屏PLC[RS-232]接口的管腳2為TXD，管腳3為RXD。 2 Modbus通信協(xié)議介紹 Modbus通信協(xié)議是一種串行的主從通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)里僅有一臺設(shè)置可作為主機(稱Master)，其它設(shè)備作為從機(稱Slaver)，主機不需編號，從機必須編號。協(xié)議定義了主機查詢及從機應(yīng)答的信息幀格式。通信時，主機首先向從機發(fā)出請求信息，符合相應(yīng)地址碼的從機接收通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返給主機。若從機接收到的校驗碼與本機計算的不同，則說明數(shù)據(jù)在通信過程中出現(xiàn)錯誤，從機把這次請求視為無效，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。當(dāng)主機收到這一信息時，會重新發(fā)送請求信息。校驗方式分為LCR(傳送數(shù)據(jù)為ACSII時)校驗或CRC(傳送數(shù)據(jù)為二進制時)校驗，這里采用CRC校驗方式。 信息傳輸為異步方式，并以字節(jié)為單位。主從站之間通訊的字格式如表1所示。 表1 通訊的字格式 字格式(串行數(shù)據(jù)) 10位二進制 起始位 1位 數(shù)據(jù)位 8位 奇偶校驗位無 停止位 1位 Modbus協(xié)議可支持ASCII碼或二進制格式的數(shù)據(jù)傳輸。ACSII碼方式下每一個字節(jié)數(shù)據(jù)分兩個字節(jié)傳送，二進制方式下用一個字節(jié)傳送，為了減少數(shù)據(jù)傳輸量，一般選二進制數(shù)據(jù)方式。各個區(qū)允許發(fā)送的字節(jié)均為16進制的0～9，A～F。二進制信息幀標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為： 初始結(jié)構(gòu) ≥4字節(jié)的時間 地址碼 1字節(jié) 功能碼 1字節(jié) 數(shù)據(jù)區(qū) N字節(jié) 錯誤校驗 16位CRC碼 結(jié)束結(jié)構(gòu) ≥4字節(jié)的時間 二進制模式中，信息開始至少需要3.5個字符的靜止時間，依據(jù)使用的波特率，很容易計算這個靜止時間。發(fā)送完最后一個字符后，也有一個至少3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時間。 圖1 3 單片機與觸摸屏地址的對應(yīng)關(guān)系 eView觸摸屏只支持Bit和Word地址類型，而實際的單片機或其它控制器還有Byte、Double Word等表示方法，因此在進行通信時，需要把單片機和觸摸屏的數(shù)據(jù)進行變換。觸摸屏畫面元件讀取地址的設(shè)備類型有LW、0x、1x、3x、4x、 RWI、RW等選項。其中，LW表示該元件讀取的是觸摸屏內(nèi)部的地址，如其它元件的地址;0x表示讀取的是控制器的輸出信號;1x表示讀取的控制器的輸入信號;3x和4x指控制器的寄存器地址類型，其中4x是可讀可寫的，3x是只讀的;RWI、RW都是觸摸屏的內(nèi)部地址，起輔助作用。使用這些讀取地址的設(shè)備類型，觸摸屏即可顯示或設(shè)定控制器寄存器或I/O口的數(shù)值。以“數(shù)值輸入”元件為例，通過“小鍵盤”輸入數(shù)據(jù)即可設(shè)置單片機寄存器或I/O口的數(shù)值。如果啟動了“觸發(fā)地址”，那么當(dāng)被觸控時，輸入的數(shù)據(jù)就被存放到了指定的單片機地址中。 4 通信程序的開發(fā)

觸摸屏與單片機的通信程序采用PIC單片機C語言編寫。編譯工具選擇Hitech公司的PICC編譯器。程序共分三大模塊，即初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊。主程序流程圖如圖2所示。 PIC16F877單片機USART功能模塊帶有一個八位的波特率發(fā)生器BRG，BRG支持USART的同步和異步工作方式。用SPBRG寄存器控制一個獨立的八位定時器的周期。在異步方式下，發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA的BRGH位(即D2)被用來控制波特率。對串行口進行的初始化如下： GIE=1; %全局中斷允許; SPBRG=25; %設(shè)置波特率為9600; TXSTA=0x04; %選擇異步高速方式; RCSTA=0x80; %允許同步串行口工作; RTISC6=1; TRISC7=1; %將C口的RC6和RC7設(shè)置為異步串行通信模式; PFIE=1; %外圍接口中斷允許; RCIE=1; %USART接收中斷允許; TXIE=1; %USART發(fā)送中斷允許; 數(shù)據(jù)接收模塊由一個中斷函數(shù)組成。該中斷函數(shù)將觸摸屏發(fā)來的Modbus數(shù)據(jù)幀存儲在一個自定義的數(shù)組中，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完時，置接收結(jié)束標(biāo)志位為1，轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊。串行通信接收器的核心是接收移位寄存器RSR，當(dāng)接收到停止時，如果RCREG緩沖器為空，RSR就把接收到的數(shù)據(jù)送入 RCREG。傳送完成后，接收中斷標(biāo)志位RCIF被置1。實際的中斷是否被CPU響應(yīng)，可以通過設(shè)置外圍接口中斷允許寄存器PIE1的中斷允許位RCIE 來控制。 數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊執(zhí)行Modbus協(xié)議功能碼對應(yīng)的運用。eView觸摸屏與單片機以Modbus協(xié)議通信，用到的Modbus功能碼如表2所示。 表2 通信程序用到的功能碼 功能碼 eView地址名稱含 義作 用 01 0x 讀開關(guān)量輸出讀取一路或多路開關(guān)量輸出狀態(tài) 03 4x 讀保持寄存器讀取一個或多個保持寄存器的數(shù)據(jù) 05 0x 1x 寫開關(guān)量輸出強置一路繼電器的“分/合”輸出 16 3x 4x 預(yù)置多寄存器把具體的數(shù)據(jù)裝入一組連貫的保持寄存器以Modbus功能碼03為例來說明觸摸屏及單片機的實際通信數(shù)據(jù)格式。如單片機地址編號為01H，觸摸屏需要查看單片機中地址為0031H的寄存器的值，發(fā)送命令格式如表3所示。 表3 觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)段名稱數(shù)據(jù)值 地址 01 功能碼 03 讀取地址高位 00 讀取地址低位 31 讀取數(shù)據(jù)個數(shù)高位 00 讀取數(shù)據(jù)個數(shù)低位 01 CRC校驗碼高位 D5 CRC校驗碼低位 C5 假設(shè)單片機中地址為0031H的寄存器中斷為05H，則單片機的回復(fù)命令如表4所示。 表4 單片機應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)段名稱數(shù)據(jù)值 地址 01 功能碼 03 讀取字節(jié)數(shù) 02 寄存器數(shù)據(jù)高位 00 寄存器數(shù)據(jù)低位 05 CRC校驗碼高位 78 CRC校驗碼低位 47 當(dāng)波特率達到38400kb/s時，通信仍然穩(wěn)定可靠。本系統(tǒng)具有連接電路簡單、組態(tài)靈活、通信可靠性高等特點，并已成功應(yīng)用于物料篩選控制系統(tǒng)項目中。由于Modbus通信協(xié)議的開放性的特點，國外進口控制器串行通信大者支持該協(xié)議，因此本文所實現(xiàn)的采用Modbus協(xié)議的串行通信具有廣泛的應(yīng)用價值。