PIC單片機與觸摸屏串行通信MODBUS協(xié)議

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。單片機廣泛應用于工控領域中，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（例如以太網(wǎng)）和其它設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)結構

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，傳輸速率設置為9600kb/s。圖1為該系統(tǒng)的電路圖。

將PIC16F877單片機RC6、RC7口設置為異步串行通信模式，經(jīng)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(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(xié)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(fā)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(zhí)行相應的任務，然后把執(zhí)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(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。

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。二進制信息幀標準結構為：
初始結構 ≥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
結束結構 ≥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)絡上的設備連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)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、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(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(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，當一幀數(shù)據(jù)接收完時，置接收結束標志位為 1，轉入數(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(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊執(zhí)行Modbus協(xié)議功能碼對應的運用。eView觸摸屏與單片機以Modbus協(xié)議通信。

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。

當波特率達到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用價值。