Modbus協(xié)議由于其具有開放性、透明性、成本低、易于開發(fā)等特點，已成為當今工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的首選。
本文介紹了一種基于Modbus通信協(xié)議的eView觸摸屏與常用的51單片機的通信方法。該方法通過C51編程實現(xiàn)Modbus通信，在51系列單片機上具有通用性，有一定的借鑒作用。
工業(yè)控制中經(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。
觸摸屏與單片機通信，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)(如以太網(wǎng))與其他設(shè)備之間進行通信的協(xié)議。本文以STC89C51單片機和人機電子有限公司的eView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信，主要是解決通信協(xié)議的問題。本文使用開放的Modbus通信協(xié)議，以觸摸屏作主站，單片機作從站。eView觸摸屏本身支持Modbus通信協(xié)議，如果單片機也支持Modbus協(xié)議，就可以進行通信了。eview觸摸屏支持RS-232和RS-485兩種通信接口。在工業(yè)控制領(lǐng)域，由于RS-485具有可靠性高、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，所以在本系統(tǒng)中觸摸屏與單片機通信采用RS-485連接，傳輸速率設(shè)置為 9600 kbps。RS-485信號傳輸是一種半雙工的傳輸方式，單片機通過一個RS-232/RS-485無源轉(zhuǎn)換器把232信號轉(zhuǎn)換成485信號，連接到 eView觸摸屏上。圖l為該系統(tǒng)的原理圖。
單片機控制系統(tǒng)采用STC89C51系列單片機，其內(nèi)部集成MAX810/STC810專用復(fù)位電路(原有外部復(fù)位可繼續(xù)保留，與Intel 8051引腳兼容)，具有抗干擾能力強、加密性強、高抗靜電(ESD)、超低功耗等特點，而且價格低廉。在本系統(tǒng)中，觸摸屏是上位機，單片機是下位機。
2 Modbus協(xié)議
2.1 Modbus協(xié)議簡介
Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))與其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以通過它連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控。
Modbus協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其他設(shè)備的過程.如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄;制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。
當在某一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，以及決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，則控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其他網(wǎng)絡(luò)上，包含了M0dhus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。
2.2 Modbus RTU通信數(shù)據(jù)傳輸模式
當控制器設(shè)備基于Modbus協(xié)議以RTU模式通信時，消息中的每個字節(jié)包含2個4位的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。
編碼采用8位二進制，十六進制數(shù)0～9和A～F;消息中每個8位域都是由2個十六進制字符組成。組織結(jié)構(gòu)如下：
2.3 Modbus RTU消息幀結(jié)構(gòu)
Modbus RTU消息幀結(jié)構(gòu)如下：
(1)地址碼
地址碼為通信傳送的第一個字節(jié)。這個寧節(jié)表明，由用戶設(shè)定地址碼的從機將接收由主機發(fā)送來的信息。每個從機都有具有唯一的地址碼，只有符合地址碼的從機才能響應(yīng)回送，且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開始。主機發(fā)送的地址碼則表明將發(fā)送到的從機地址，而從機發(fā)送的地址碼表明回送的從機地址。地址0用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認識。
(2)功能代碼
功能代碼為通信傳送的第二個字節(jié)。Modbus通信規(guī)約定義可能的代碼范圍是十進制的1～255。當然，有些代碼適用于所有控制器，有些僅適用于某種控制器，還有些保留以備后用。主機發(fā)送請求，通過功能碼告訴從機執(zhí)行什么動作;從機響應(yīng)請求，從機發(fā)送的功能碼與從主機發(fā)送來的功能碼一樣，表明從機已響應(yīng)主機進行操作。如果從機發(fā)送的功能碼的最高位為1，則表明從機沒有響應(yīng)操作或發(fā)送出錯，主設(shè)備應(yīng)用程序得到異議的回應(yīng)后，典型的處理是重發(fā)消息。表l列出了常用Modbus支持的部分功能碼。
以讀取線圈狀態(tài)為例說明。主站發(fā)送命令：[設(shè)備地址][命令號01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位] [CRC校驗的低8位][高8位]。從站響應(yīng)：[設(shè)備地址][命令號01][返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]…[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位] [高8位]。
(3)數(shù)據(jù)區(qū)
數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)功能碼的不同而不同。數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機執(zhí)行什么動作，或由從機采集的返送信息。這些信息可以是實際數(shù)值、設(shè)置點、主機發(fā)送給從機或從機發(fā)送給主機的地址等。例如，功能碼告訴從機讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必須包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從機，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。
(4)錯誤校驗碼
主機或從機可用校驗碼判別接收信息是否出錯。錯誤檢測域包含一個16位的值(用2個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行 “循環(huán)冗余檢測”得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)，故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個寧節(jié)。錯誤校驗采用CRC- 16校驗方法。
3 軟件編程
下面是采用C5l編寫的軟件，主要包括CRC校驗和終端接收及波特率設(shè)置等。由于篇幅有限，其他程序略。
4 總 結(jié)
由于Modhus協(xié)議具有開放性和透明性等特點，而51系列單片機技術(shù)成熟、開發(fā)成本低，二者的結(jié)合將繼續(xù)成為各類通信系統(tǒng)設(shè)計的首選。本設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用于觸摸屏與單片機通信設(shè)計，并取得了較好效果。這種方法對于編制類似的通信軟件有一定的借鑒作用，部分程序可以直接移植。
