PIC單片機與觸摸屏串行通信MODBUS協議

　　摘要：介紹一種在PIC單片機與觸摸屏之間采用Modbus協議實現異步串行通信的方法。簡單介紹了Modbus通信協議，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據傳輸穩定可靠，并提供了良好的人機交互環境。 

        前言

        工控中經常需要觀察系統的運行狀態或者修改運行參數。觸摸屏能夠直觀、生動地顯示運行參數和運行狀態，而且通過觸摸屏畫面可以直接修改系統運行參數，人機交互性好。單片機廣泛應用于工控領域中，與觸摸屏配合，可組成良好的人機交互環境。觸摸屏和單片機通信，需要根據觸摸屏采用的通信協議為單片機編寫相應的通信程序。Modbus協議是美國Modicon公司推出的一種有效支持控制器之間以及控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間進行通信的協議。本文以PIC16F877單片機和人機電子有限公司的eViewMT510T型觸摸屏為例，介紹其通信程序的開發過程。
　　
　　1、系統結構
　　
　　實現觸摸屏與單片機的通訊，主要是解決通訊協議的問題。本文使用開放的Modbus通訊協議，以觸摸屏作主站，單片機作從站。eView觸摸屏本身支持Modbus通訊協議，如果單片機也支持Modbus協議，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，傳輸速率設置為9600kb/s。圖1為該系統的電路圖。　　
　　將PIC16F877單片機RC6、RC7口設置為異步串行通信模式，經過MAX232芯片將TTL電平轉換為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通信協議介紹
　　
　　Modbus通信協議是一種串行的主從通信協議，網絡里僅有一臺設置可作為主機(稱Master)，其它設備作為從機(稱Slaver)，主機不需編號，從機必須編號。協議定義了主機查詢及從機應答的信息幀格式。通信時，主機首先向從機發出請求信息，符合相應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，則執行相應的任務，然后把執行結果返給主機。若從機接收到的校驗碼與本機計算的不同，則說明數據在通信過程中出現錯誤，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消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。當主機收到這一信息時，會重新發送請求信息。校驗方式分為LCR(傳送數據為ACSII時)校驗或CRC(傳送數據為二進制時)校驗，這里采用CRC校驗方式。
　　
　　信息傳輸為異步方式，并以字節為單位。主從站之間通訊的字格式如表1所示。　　
　　Modbus協議可支持ASCII碼或二進制格式的數據傳輸。ACSII碼方式下每一個字節數據分兩個字節傳送，二進制方式下用一個字節傳送，為了減少數據傳輸量，一般選二進制數據方式。各個區允許發送的字節均為16進制的0～9，A～F。二進制信息幀標準結構為：
　　
　　初始結構≥4字節的時間
　　
　　地址碼1字節
　　
　　功能碼1字節
　　
　　數據區N字節
　　
　　錯誤校驗16位CRC碼
　　
　　結束結構≥4字節的時間
　　
　　二進制模式中，信息開始至少需要3.5個字符的靜止時間，依據使用的波特率，很容易計算這個靜止時間。發送完zui后一個字符后，也有一個至少3.5個字符的靜止時間，然后才能發送一個新的信息。網絡上的設備連續監測網絡上的信息，包括靜止時間。
　　
　　3、單片機與觸摸屏地址的對應關系
　　
　　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、DoubleWord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據進行變換。觸摸屏畫面元件讀取地址的設備類型有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都是觸摸屏的內部地址，起輔助作用。使用這些讀取地址的設備類型，觸摸屏即可顯示或設定控制器寄存器或I/O口的數值。以“數值輸入”元件為例，通過“小鍵盤”輸入數據即可設置單片機寄存器或I/O口的數值。如果啟動了“觸發地址”，那么當被觸控時，輸入的數據就被存放到了的單片機地址中。
　　
　　4、通信程序的開發
　　
　　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、數據接收模塊以及數據處理及發送模塊。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，發送狀態/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發送中斷允許；
　　
　　數據接收模塊由一個中斷函數組成。該中斷函數將觸摸屏發來的Modbus數據幀存儲在一個自定義的數組中，當一幀數據接收完時，置接收結束標志位為1，轉入數據處理及發送模塊。串行通信接收器的核心是接收移位寄存器RSR，當接收到停止時，如果RCREG緩沖器為空，RSR就把接收到的數據送入RCREG。傳送完成后，接收中斷標志位RCIF被置1。實際的中斷是否被CPU響應，可以通過設置外圍接口中斷允許寄存器PIE1的中斷允許位RCIE來控制。
　　
　　數據處理及發送模塊執行Modbus協議功能碼對應的運用。eView觸摸屏與單片機以Modbus協議通信，用到的Modbus功能碼如表2所示。　　　　
　　以Modbus功能碼03為例來說明觸摸屏及單片機的實際通信數據格式。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，發送命令格式如表3所示。　　
　　當波特率達到38400kb/s時，通信仍然穩定可靠。本系統具有連接電路簡單、組態靈活、通信可靠性高等特點，并已成功應用于物料篩選控制系統項目中。由于Modbus通信協議的開放性的特點，國外進口控制器串行通信大者支持該協議，因此本文所實現的采用Modbus協議的串行通信具有廣泛的應用價值。