PIC單片機與觸摸屏串行通信的MODBUS協議實現

十年專注單片機方案開發的方案公司英銳恩，分享PIC單片機與觸摸屏串行通信的MODBUS協議實現。英銳恩現提供服務產品涉及主控芯片：8位單片機、16位單片機、32位單片機及各類運算放大器等。

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。
    關鍵詞：觸摸屏 PIC單片機 Modbus協議 通信

    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eView MT510T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。

    表1 通訊的字格式

    字格式（串行數據） 10位二進制
    起始位 1位 

數據位 8位
    奇偶校驗位 無
    停止位 1位

    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、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指定的單片機地址中。

    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。

    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  讀開關量輸出  讀取一路或多路開關量輸出狀態 
03  4x  讀保持寄存器  讀取一個或多個保持寄存器的數據 
05  0x
1x  寫開關量輸出  強置一路繼電器的“分/合”輸出 
16  3x
4x  預置多寄存器  把具體的數據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。

    表3 觸摸屏發送數據結構

數據段名稱  數據值 
地址  01 
功能碼  03 
讀取地址高位  00  

讀取地址低位  31 
讀取數據個數高位  00 
讀取數據個數低位  01 
CRC校驗碼高位  D5 
CRC校驗碼低位  C5 
 

    假設單片機中地址為0031H的寄存器中斷為05H，則單片機的回復命令如表4所示。

    表4 單片機應答數據結構

數據段名稱  數據值 
地址  01  

功能碼  03 
讀取字節數  02 
寄存器數據高位  00 
寄存器數據低位  05 
CRC校驗碼高位  78 
CRC校驗碼低位  47 
 

    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。

（文源網絡，侵刪）