（机械电子工程专业论文）基于modbus协议的人机接口通信研究.pdf

摘要 随着信息技术与计算机技术的迅速发展，人机接口技术越来越多地应用于各个领 域。m o d b u s 协议目前工业领域中较流行的协议之一，是实现人机接口技术的桥 梁。微控制器结合触摸屏的结构体系，是目前最常用的人机接口之一。因此，基于 m o d b u s 协议的人机接口的研究具有一定的现实意义和指导意义。 本文在实验室环境下，以微控制器d s p 和m t 5 0 6 t v 4 6 触摸屏为对象，对二者间的 通信进行了研究，并成功实现了二者间的通信。 本文在m o d b u s 协议和异步串行通信原理的基础上，对下位机d s p 端进行了硬件 设计，包括d s p 系统硬件的选型及电路设计，串行通信接口电路的设计及实现，同时 给出了d s p 与触摸屏的连接方式。结合硬件，在c c s 2 2 0 编译环境下编写了c 语言程 序，包括串行通信接口初始化程序、串口接收中断程序、串口发送服务子程序、m o d b u s 帧处理程序、延时程序、c r c 校验程序等。在软、硬件设计完成的基础上，依次进行如 下的调试与试验，包括触摸屏通信串口的测试、实际发送和回应m o d b u s 帧的测试与 试验、d s p 硬件调试、c c s 2 2 0 编译环境及i c e t e k - 5 1 0 0 仿真系统下对编写的c 程序 进行仿真调试以及d s p 与触摸屏整个通信系统的调试与试验。最终，实现了d s p 与 m t 5 0 6 t v 4 6 触摸屏问的正常通信。 本文提出的基于m o d b u sr t u 协议用d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 实现与触摸屏间的通 信，弥补了以往触摸屏仅与p l c 通信的单一性的缺陷，为开发触摸屏与d s p 之间实现 直接通信提供了理论依据。同时，在m o d b u s 协议下，对人机接口技术在工程上的应 用，具有一定的指导意义。 关键词：m o d b u s ，人机接口，触摸屏，d s p a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a n yf i e l d s m o d b u sp r o t o c o l ， a so n eo ft h em o s tp o p u l a rp r o t o c o li nt h ei n d u s t r yf i e l d ，i st h eb r i d g eo fh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e t h es t r u c t u r es y s t e mo fm i c r oc o n t r o lu n i ta n dt o u c hs c r e e nh a sb e c o m eo n eo ft h e m o s tc o m m o nh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s s t u d y i n go nt h ec o m m u n i c a t i o no fh u m a n - m a c h i - n ei n t e r f a c eb a s e do nm o d b u sp r o t o c o lh a st h eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg u i d i n g s i g n i f i c a n c e i nt h el a be n v i r o n m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa n da c h i e v e st h ec o m m u n i c a t i o no f d s pa n dt o u c hs c r e e nm t 5 0 6 t v 4 6 b a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o la n da s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n ss l a v ec o m p u t e rd s p , i n c l u d i n gh a r d w a r es e l e c t i o n , d e s i g no fs e r i a l 。 c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n di m p l e m e n t a t i o n ，c o n n e c t i o nm o d eo fd s pa n dt h et o u c h s c r e e n c o m b i n i n gt h eh a r d w a r e ，c o m p i l et h ecp r o g r a mu n d e rt h ec o d ec o m p o s e rs t u d i o ， i n c l u d i n g s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，s e r i a lp o r tr e c e i v i n g i n t e r r u p t i o np r o g r a m ，s e r i a lp o r ts e n d i n gp r o g r a m ，m o d b u sf r a m ep r o c e s s i n gp r o g r a m ，t i m e d e l a y i n gp r o g r a m ，a n dc r cc h e c k i n gp r o g r a m b a s e do nt h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， t h ed i s s e r t a t i o nc o m m i s s i o n st h ew h o l es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec o m m i s s i o no ft h es e r i a lp o r t ， c o m m i s s i o no ft o u c hs c r e e n , t h et e s t i n go ft h em o d b u sf r a n l er e c e i v e da n ds e n t ，t h e c o m m i s s i o ni nc c s2 2 0a n ds i m u l a t i o nc o m m i s s i o ni ni c e t e k - 510 0 ，d s pa n dt o u c hs c r e e n c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n f i n a l l y , t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dt o u c hs c r e e n m t 5 0 6 t v 4 6w a sc o m p l e t e d b a s e do nm o d b u sr t u p r o t o c o l ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h em e t h o do fu s i n gd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) i n s t e a do fp l ct oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht o u c hs c r e e n t h e s u c c e s so ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dt o u c hs c r e e n , r e m e d i e st h ed e f e c to f c o m m u n i c a t i o ns i n g l e n e s sb e t w e e np l ca n dt o u c hs c r e e n ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r yb a s i s f o rf u r t h e rr e s e a r c ho fd i r e c tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dt o u c hs c r e e n a n da tt h es a m e t i m e ，u n d e rt h em o d b u sp r o t o c o l ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e si n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c ea n d e v i d i e n c ef o ra p p l i c a t i o no fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g yw i t hm o d b u sp r o t o c o li n e n g i n e e r i n gf i e l d s k e yw o r d s ：m o d b u s ；h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ；t o u c hs c r e e n ；d s p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 奎芳等2 7 年，月寻i e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 计算机软硬件技术的发展和应用极大地影响着社会生活的各个领域。工业控制领域 中经常需要监视系统的运行状态，有时候还需要改动系统的运行参数，人机接口技术应 运而生。目前，触摸屏是人机接口技术中使用得比较广泛的一种产品，大多遵循工业应 用中普遍采用的m o d b u s 协议，显示画面直观、生动，系统的运行参数便于修改，人 机交互性好。 d s p 广泛应用于工控领域，可以与触摸屏相结合组成良好的人机接口环境。d s p 与 触摸屏的通信应该依据触摸屏所采用的通信协议m o d b u s 协议为d s p 编写相应的 驱动( 通信) 程序来实现。m o d b u s 协议作为目前工业领域中较流行的协议之一，充当着 实现d s p 与触摸屏间通信的重要角色。 1 2m o d b u s 协议的发展及应用现状 1 9 7 8 年，美国m o d i c o n 公司推出了m o d b u s 协议。该网络协议的推出，具有划时 代的意义，迎来工业网络发展的里程碑，从此拉开了工业网络的序幕【。 为了满足广大用户和市场的需求，m o d i c o n 公司于1 9 8 9 年又开发出新一代 m o d b u s + 网络【1 1 。m o d b u s + 网络以m o d b u s 网络为基础，采用对等方式、令牌传 递、即插即用等网络结构，为用户提供更快的工业网络。实践表明，m o d b u s + 也是最 好的工业实时网络之- - 1 1 。 1 9 9 8 年，施耐德公司推出m o d b u st c p 网络协议【l j 。m o d b u st c p 网络协议基 于t c p i p 以太网网络组成协议，更好地满足了用户和市场的需求，首次实现t c p i p 以 太网协议在工业自动化领域中的应用。随着其技术的不断完善，m o d b u st c p 网络协 议成为工业自动化领域的标准协议，是至今唯一一个获得i a n a 赋予t c p 端口的自动 化通讯协议【。m o d b u st c p 全部采用标准的以太网硬件以提高其通用性，是标准的、 开放的、免费的通讯协议，为用户提供了新的选择【l l 。其中，因特网将其前1 0 0 0 个端口 都分配给著名的、公开的通讯协议，如8 0 号端口分配给著名的超文本传输协议( h t t p ) ， 供因特网浏览器使用。目前m o d b u st c p 以太网的速度为1 0m - 1 0 0m 位秒，数据传 输能力大大提高【1 1 。 第一章绪论 此外，t c p i p 以太网还为用户提供更多的服务，如i o 扫描、全局数据、故障设备 替换、网络管理、电子邮件报警、时钟同步等功能，具有更高的附加值。 今后，m o d b u s 将向着w e b 服务和透明就绪两个方面发展【。所谓w e b 服务是通 过互联网，由服务器和客户端共同参与实现的服务。由于浏览器( 客户端) 是一种动态的 图形界面，用户感觉新奇，而且它易于操作，具有很大的发展潜力。所谓透明就绪是指 使用开放的、基于m o d b u st c p 、因特网技术与w e b 技术相结合的体系结构，实现现 场设备、控制设备与管理系统的统一。通过透明就绪产品，用户可以在任何时间任何地 点访问所需数据，获得更多、更好的服务。例如，可以利用施耐德产品提供的缺省网页 监控c p u 、i o 模板、以太网模板的状态；可以浏览和处理系统的报警信息等等【1 1 。 m o d b u s 以基于主站从站( 客户机服务器) 的方式连接智能设备，实现设备 间数据交换【2 】om o d b u s 通信几乎可以通过任何物理介质实现，如电线、光纤、红外、 射频、微波、卫星等，还可以通过不同的网络进行互连，如以太网、a d s l 、a t m 等， 具有很强的扩展能力【2 1 。 m o d b u s 协议是制造业、基础设施环境下真正的开放协议，由于其协议简单、容 易实施和较高的性价比，得到了工业界和全球众多厂家的支持 2 1 。专家普遍认为 m o d b u s 今后会有更大、更快的发展，可为工业控制和自动化行业做出应有的贡献【。 m o d b u s 协议的巨大成功可以总结为以下3 个方面【l 】，如图1 1 所示。 图1 1m o d b u s 协议成功的体现方面 m o d b u s 协议已成功应用于社会生活的各个领划3 1 ，如表1 1 所示。 表1 1m o d b u s 协议的应用范例 应用场合功能示例 半导体制造业纯净水制作、化学液泄露检测等 纺织机械t 恤衫口袋自动加装机 公共设施仓库、超市、商务办公楼等的配电、空调系统、加热与制冷等 采矿业 将远端信息传送至主站，如监测火车、卡车的运行情况等 塑料行业通过网络对称重系统进行监视和控制 2 长安大学硕士学位论文 表1 1m o d b u s 协议的应用范例( 续) 应用场合功能示例 食品饮料行业对饮料进行可靠的、可重复的、详细的检测 水处理行业 结合远程控制获取实时检测水泵的美元加仑值 水泥制造业 实现水泥生产过程的自动化 核技术行业控制氚的生产 海洋、港口行业实现港口吊装机械的运动控制 冶金行业实现钢板长度的精确切割 工程机械行业实现工程机械某些功能的精确控制 通过对上述m o d b u s 协议应用范例的分析，可以看出m o d b u s 协议作为一种广 泛应用的工业设备应用层通信协议几乎遍布各个行业，在我国m o d b u s 已被列入国家 指导性技术文件【4 , 5 1 。目前大多数控制产品中都有m o d b u s 的通信接1 ：3 ，足以看出 m o d b u s 的地位举足轻重。 i 3 人机接口的发展现状 人机接口又称人机界面或用户界面，是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输 入输出设备接口，包括键盘、显示器、打印机、鼠标等【6 1 。人机接口是计算机同人机交 互设备之间实现信息传输的控制电路，与人机交互设备共同完成信息形式的转换和信息 传输的控制。人机接口的发展主要有四个方面的内容【6 1 ，如图1 2 所示。 人机接口发晨内容 ，i， 用户界面的具体形式用户界面信息载体类型 计算机输出信息的形式 显示信息的维散 量j l 多通道多媒体用户以文本为主的字符 l 以符号为董的字符 一维信息 界面( 批处理、联机用户界面 命令语言 终端、菜单) 0 以视觉感知为主的 二堆信息 图形用户界面 以二维躅形为主的 0 图形用户界面 l 兼顾听觉感知的多l i 媒体用户界面【 三维信息 上 综合运用多种感官 虚拟现实系统 多媒体用户再面 多维信息空问 的虚拟现实系统 图1 2 人机接口的发展内容示意图 人机接口是计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物，同时吸收了语言学、 3 第一章绪论 人机工程学等科学的研究成果【7 1 。八十年代以来，随着软件工程学和新一代计算机技术 研究的迅速发展，推动了人机接口向着高科技化、自然化、人性化及和谐化等方向发展 1 8 】。目前，触摸屏成为人机接口的主流产品，其功能不断增强，其组态软件向着智能化 与人性化的方向发展【9 , 1 0 】。 1 4 课题的研究背景及研究意义 近年来，随着信息技术与计算机技术的迅速发展，网络技术的突飞猛进，人机接口 的设计和开发成为国际计算机界和设计界最为关注的研究内容。同时，机电一体化技术 在工程机械上的大量应用也是人们所关注的重点。 工程机械一般使用微控制器m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 作为其核心控制系统，l c d 、 触摸屏等作为其显示系统，为人机接口提供了良好的硬件基础。工程机械控制中经常采 用以单片机或d s p 为核心的控制系统。触摸屏是工业控制中最常用的一种人机界面之 一，它经常作为工程机械的显示系统。但触摸屏本身的驱动程序大部分都是针对可编程 控制器( p l c ) 而开发的，不能直接与单片机或d s p 直接通信。因而，实现控制系统与显 示系统的通信必须以特定的通信协议为基础编写相应的通信程序。m o d b u s 协议是一 种开放的应用层通信协议，具有广泛的应用领域。本文提出了基于m o d b u s 协议的d s p 与触摸屏组成的人机接口通信方案。 本文在m o d b u s 协议的基础上，以d s p 系统和触摸屏为硬件，并为d s p 与触摸 屏之间编写相应的通信( 驱动) 程序，进而实现d s p 与触摸屏间的通信。本文通信方案的 提出，为日后实现d s p 与触摸屏间直接通信成为可能提供了理论依据，弥补了触摸屏 仅与p l c 通信单一性的缺陷，同时对以后开发具有通用意义的触摸屏驱动程序具有重 要的理论和实际意义。 1 5 研究内容 1 综述m o d b u s 协议以及人机接口的发展及应用现状： 2 研究m o d b u s 协议及其应用； 3 设计d s p 与触摸屏组成的人机接口通信系统的硬件； 4 分析研究m o d b u s 协议在人机界面设计中的应用； 5 设计人机界面接口通信系统的驱动程序； 6 对试验系统进行了调试和试验。 4 长安大学硕十学位论文 第二章m o d b u s 协议概述 2 1m o d b u s 协议简介 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言【1 1 1 。通过m o d b u s 协议， 控制器相互之间、控制器经由网络( 如以太网) 和其它设备之间的通信得以实现。由于 m o d b u s 协议具有开放性、可扩展性和标准化等特点，因此该协议已经成为一种通用 的工业标准。控制设备之间利用m o d b u s 协议连接成工业网络( 如图2 1 所示) ，从而使 它成为最流行的协议之一【1 l 】。 工业网络 不同厂商生产 的控制设备 薇穗modbus僦业悟mod骊busmodbus l l协议 i l ! s 燃l的控制设备l 图2 1 不同控制设备之间组成工业网络示意图 该协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构( 不管它们是经过何种网络进行通 信的) 。整个消息结构描述了控制器请求访问其它设备的过程，包括： 2 2m o d b u s 通信原理 m o d b u s 协议通信遵循以下过程【1 1 , 1 2 】：客户机准备请求并向服务器发送请求；服 务器分析并处理客户机的请求，然后向客户机发送结果；如果未出现差错，服务器则返 回对应的功能码和数据相应；如果出现任何差错，服务器将返回一个异常功能码。在无 差错和异常响应下的通信过程分别如图2 2 和图2 3 所示。 5 第二二章m o d b u s 协议概述 客户机服务器 启动袜卜， 执行搿动l 功能码 数据请求 j f 接收响应| 功能码 数据响应 客户机服务器 启动请求卜 i ， 7 豢黧； 功能码 数据请求 f 接收响应p 7异常功能码 异常码 图2 2m o d b u s 事务处理( 无差错)图2 3m o d b u s 事物处理( 异常响应) m o d b u s 协议可以方便地在各种网络体系结构内进行通信【l l 】，每种设备( 如p l c 、 h m i 、采集面板、变频器、运动采集、i o 设备等) 都可以使用m o d b u s 协议来启动远 程操作。 ( 1 ) 在m o d b u s 网络上传输 标准的m o d b u s 口是使用一个r s 一2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、 电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由m o d e m 组网。 控制器通信使用主从技术，即主设备初始化查询，然后其它设备( 从设备) 根据 主设备查询提供的数据做出相应的回应。主设备通信的方式如图2 4 所示。 主设备查询格式： 从设备回应格式： 图2 4 主设备通信方式 若在消息接收过程中发生错误，从设备则不执行此命令或生成一个错误消息并把它 作为回应消息发送出去。 6 长安大学硕上学位论文 ( 2 ) 在其它类型网络上传输 在其它网络上，控制器采用对等技术方式通信。在单独的通信过程中，控制器既可 作为主设备也可作为从设备。 m o d b u s 协议中的消息仍采用主从原则，若一个控制器作为主设备发送一个 消息，那么它就期望从从设备那里得到回应；若一个控制器作为从设备接收到一个消息， 那么它将建立一个回应格式消息帧并发送给主设备。 ( 3 ) 查询回应周期 查询消息帧中的功能代码告诉被选中的从设备应该执行何种功能。消息帧中的数据 段包含了从设备执行该功能的附加信息。以功能代码0 1 为例来说明，代码0 1 是要求从 设备读取线圈的状态并返回其状态内容；数据段必须包含要告诉从设备的信息：线圈的 起始地址、所要读的线圈的状态值；错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否 正确的方法。 当从设备产生一个正常的回应时，回应消息帧中的功能代码是对查询消息中的功能 代码的回应；数据段包含从设备收集的数据，如寄存器值或位状态。如出现错误，功能 代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时，数据段包含了一个代码来说明错误， 错误检查区允许主设备确认有效的信息内容。主从设备查询回应周期见图2 5 。 2 3m o d b u s 通信流程 m o d b u s 的通信包括【1 2 】：主机发送请求从机做相应动作，主机等待状态。其 中第一个过程主、从机做相应动作如图2 6 所示。 图2 5 主一从设备查询回应周期图图2 6 主机发送请求从机回应过程 7 第二章m o d b u s 协议概述 主机发送完查询消息后就处于等待状态，即不断检测是否接收到m o d b u s 消息。 当主机收到消息帧时，首先进行c r c 校验，若c r c 校验不正确，则向从机发送重发请 求；若c r c 校验正确，则对功能码进行判断并做相应处理。 2 4m o d b u s 协议的传输方式 标准的m o d b u s 网络通信中，m o d b u s 设置两种传输模式a s c 和r t u 1 1 】。 表2 1a s c i i 和r t u 传输模式的特性 特性模式 a s c n ( 7 位)r t u ( 8 位) 编码系统进制 十六进制 一讲伟 每个 起始位i 位 i 位 数据位f 最低有效位第一位、 7 位8 位 字符 奇偶校验f 任选1 i 位f 无校验则无该位、i 位f 无校验则无该位1 的位数 停j 卜位i 或2 位i 或2 位 错误校验 l r c ( 纵向冗长校验) c r c ( 循环冗长校验) 两种传输模式的特性如表2 1 所示。选择传输模式时，还应考虑串口通信的波特率、 校验方式等。在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口波 特率以及校验方式。 2 4 1a s c i i 模式 当控制器选择a s c h ( 美国标准信息交换代码) 模式通信，在消息中的每个8b i t 字节 都作为两个a s c h 字符发送。这种通信方式的主要优点是：字符发送的时间间隔可达到 1 秒而不容易产生错误【l l 】。a s c i i 模式的系统构成如下： 2 4 2r t u 模式 当控制器在m o d b u s 网络上选择r t u ( 远程终端单元) 模式通信时，在消息中的每 个8b i t 字节包含两个4b i t 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率 下，可比a s c h 方式传送更多的数据1 1 】。r t u 模式的系统构成如下： 2 5m o d b u s 消息帧 2 5 1a s c i i 帧 消息以( ：) 号字符( a s c i i 码3 a h ) 开始，以回车换行符( a s c i i 码o d h 和o a h ) 结束。 r 长安大学硕士学位论文 可以传输的字符为十六进制字符0 - 9 ，a f 。网络上的设备连续检测并接收一个冒号 ( ：) 时，每台设备对地址解码，找出要寻址的设备。消息中字符之间发送的时间最大间隔 为1 秒，若大于1 秒，则接收设备认为出现了一个错误【l l 】。典型消息帧见表2 2 。 表2 2a s c i i 消息帧 i 起始位设备地址功能代码数据l r c 校验结束符 1 字符2 字符2 字符 n 字符2 字符2 字符 2 5 2i u ul 顷 起始位为t 1 t 2 t 3 t 4 。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六 进制的0 9 ，a f 。网络设备不断侦测网络总线，当第一个地址接收到，每个设备都 进行解码以判断是否发往自己的。在接收最后一个传输字符之后，至少3 5 个字符时间 的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。消息帧必须作为连续的流 传输。如果在帧完成之前有超过1 5 个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的 消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于1 5 个字 符时间内接到前一个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续【1 1 】。典型的消息 帧如下表2 3 所示： 表2 3r t u 消息帧 i 起始位设备地址功能代码数据c r c 校验结束符 i t 1 t 2 - t 3 - t 48b i t8b i t n 个8b i t 1 6b “t 1 t 2 r 3 t 4 2 5 3 字符的连续传输 当消息在标准的m o d b u s 系列网络传输时，每个字符或字节从最低有效位向最高 有效位( 从左到右) 发送。使用a s c i i 字符帧和r t u 字符帧时，位顺序分别如表2 4 和表 2 5 所裂1 。 表2 4a s c i i 字符帧的位顺序 a ) 有奇偶校验位 b ) 无奇偶校验位 表2 5r t u 字符帧的位顺序 a ) 有奇偶校验位 9 第二章m o d b u s 协议概述 b ) 无奇偶校验位 2 6 错误检验方法 标准的m o d b u s 串行网络有两种错误检测方法奇偶校验和帧检测 1 l , 1 2 1 。奇偶 校验对每个字符都可用，帧检测( 分为l r c 校验和c r c 校验) 应用于整个消息。 2 6 1 奇偶校验 用户可用配置控制器是奇校验还是偶校验，或是无校验。如果指定为奇校验或偶校 验，“1 的位数将算到每个字符的位数q a ( a s c 模式7 个数据位，r t u 模式中8 个数 据位) 。以一个r t u 字符帧( 包含8 个数据位：110 0 0l01 ) 来说明校验的过程，如图 2 7 所示。 图2 7 一个r t u 字符帧奇偶校验不例 2 6 2 帧检测 ( 1 ) l r c 检测【1 1 】 使用a s c h 模式，消息包括了一个基于l r c 方法的错误检测域。l r c 域检测了消 息域中除开始标志( 冒号) 及结束标志( 回车换行号) 外的内容。本文中未采用此法，不做 详述。 ( 2 ) c r c 检测【1 1 】 使用r t u 模式传送数据时，消息中包括了一个基于c r c 错误检测域。c r c 域检测 整个消息的内容。c r c 域是两个字节，1 6 位的二进制值。它由传输设备按c r c 计算后 加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的c r c ，并与接收到的c r c 值比较，如果 两值相同，则正确；如果两值不同，则有误。本文中采用此错误校验方法。 1 0 长安大学硕士学位论文 c r c 1 6 ( 循环冗余错误校验) 校验的流程图如图2 8 所示【l l 】： 2 7m o d b u s 协议的实现 图2 8c r c 校验流程图 2 7 1 硬件结构 标准的m o d b u s 协议的物理层采用的是r s 2 3 2 标准，系统基于m o d b u s 总线的 硬件主要由上位机的串行通信口和控制器的串行通信口组成。 2 7 2 软件设计 系统软件主要包括上位机和控制器( 下位机) 基于m o d b u s 协议总线的通信软件， 此部分内容将在第五章中作详细介绍。 2 8 本章小结 本章主要介绍了：m o d b u s 协议简介，m o d b u s 协议结构，m o d b u s 通信网络， m o d b u s 传输方式，m o d b u s 消息帧，c r c 1 6 校验，错误检测方法等。 第三章人机接口通信系统的硬件结构设计 3 1 引言 第三章人机接口通信系统的硬件结构设计 随着测控技术的飞速发展和测控领域的不断扩展，人们对测控系统的要求越来越 高，主要表现在对数据传输的实时性、计算精度、运算速度和系统的可靠行等要求。控 制系统设计过程中比较关键的一步就是选择合适的微控制器，以保证系统具有较快的运 行速度和良好的可扩展性，同时便于选择和扩展外围设备【1 3 】。工程机械控制系统中常用 的微控制器主要有可编程控制器( p l c ) 【1 4 1 、单片机【15 1 、专用控制器( 如r e x r o t h 公司的 m c 6 、m c 7 ) 、数字信号处理( d s p ) 等【1 3 】。 目前，触摸屏成为众多人机接口产品的主流。综合考虑触摸屏的性价比，本系统选 台湾威纶通的产品叫v i e wm t 5 0 6 t v 4 6 触摸屏作为系统的显示部分。 本系统是在开放的m o d b u s 协议基础上开发的通信系统，能够实现工业控制领域 中控制器与触摸屏之间的通信任务，要求通信系统的硬件设计简单、可靠、实用，符合 m o d b u s 工业标准，满足工业现场要求。本系统采用触摸屏作为上位机，控制器作为 下位机，硬件设计主要包括下位机的硬件电路设计和触摸屏通讯的接口电路设计。 3 2d s p 硬件选型及电路设计 3 2 1 微控制器的选择及选型 分析目前几种常用的微控制器如表3 1 所示。 表3 1 几种常用的微控制器性能比较 微控制器名称功能用途及特点 主要为顺序生产过程而设计，具有很强的时序性、较强的抗干扰能力，可以直接驱 p l c 动电磁阀、继电器、电磁开关等，可大大节省外围驱动电路，广泛应用于顺序控制、 运动控制和过程控制等，但由于较差的运算能力限制了一些控制算法的实现【1 4 1 单片机 单片机易于实现数字控制，开发比较简单，能基本满足控制系统的硬件资源要求， 但考虑到系统的可扩展性，单片机并不利于控制系统后续的升级【1 5 】 d s p 当前发展非常迅速的一类电子器件，其功能强大，能够很好地满足控制系统的设计 ( 数字信号 要求，提高系统的可扩展性，此外，其硬件电路设计简单、易于实现，从而节省电 处理器1路板空间，降低了系统成本【1 6 】，应用相当广泛 1 2 长安大学硕士学位论文 表3 1 几种常用的微控制器性能比较( 续) 微控制器名称 功能用途及特点 专用控制器m c 系列微控制器是在行走机械电子液压控制系统中功能最完善、运用最广泛的控 制器，具有良好的电磁兼容性、较强的抗冲击振动性等优点，但价格昂到”1 目前以t i 公司t m s 系列d s p 芯片市场占有率最高，本文将选择t i 公司推出的具 有较高运算速度的t m s 3 2 0 系列产品- t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为微控制器芯片。 3 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能及其特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列中的一种定点d s p 芯片【1 7 】，具有以 下特点，如表3 2 所示【1 7 1 ： 表3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的特点 名称包含模块名称或其功能 供电电压 3 3 v ( 采用静态c m o s 技术的结果) ，减d , t 控制器功耗 执行速度 3 0m i p s ，使得周期指令缩短为3 3i l s ，提高了控制器实时控制能力 片内空间 3 2k 字f l a s h 程序存储器，1 5k 字数据程序r a m ，5 4 4k 和2k 字双和单口r a m 事件管理模块两个事件管理器模块e v a 和e v b ，有两个1 6 位通用定时器、8 个1 6 位脉宽通道 外部存储器“k 字程序存储器空间、“k 字数据存储器空间、“k 字i o 寻址空间 看门狗定时器看门狗定时器模块w d t a d 转换器1 0 位转换器，最小转换时间5 0 0n s ，可选择触发两个8 通道或一个1 6 通道转换器 c a n 模块 控制器局域网络( c a n ) 2 0b 模块 s c i 模块串行通信接口模块 s p i 模块1 6 位的串行外设接口模块 时钟发生器 基于p l l 锁相环的时钟发生器 输入输出引脚 4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 外部中断两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断等5 个外部中断 电源管理3 种低功耗模式，可将外设器件转入低功耗工作模式 3 2 3d s p 系统结构框图 d s p 系统可以实现各种信号的采集、数据处理、与触摸屏的通信等功能。本系统主 要完成与触摸屏的通信任务，其硬件结构如图3 1 所示。 1 3 第三章人机接口通信系统的硬件结构设计 l 脉冲信号l 隔离i输入卜 c a p i - p w m i p w m 8 输出卜 功率i 卜 整形i c a p 4 复用)9放大l o u t p u t 模拟量 歼关量 p o r t 模拟信号l 信号i输入卜输蚁功率i卜 调理i t a d c 0 公 放大i t m $ 3 2 0 l f 开关量 2 4 0 7 串口 开关信号i，隔离i输入 i 删 蒯 1n n ，3 ，k u 、j 础j 哭 吲屏 s r a m 怒 a 0 , - a 1 5 1卜 j t a g 6 4 k 1 6 b i td 0 - d 1 5 图3 1d s p 系统原理图 3 2 4d s p 系统组成电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 系统电路包括 1 8 , 1 9 , 2 0 】：电源电路、复位电路、时钟电路、存储 器接口电路、j t a g 仿真接口电路等部分组成。 ( 1 ) 电源电路 本系统中t t l 电路以及外围芯片器件的供电电压为+ 5v ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 器件的 供电电压要求+ 3 - 3v ，而系统电源是由蓄电池或发动机提供的+ 2 4v 直流稳压电源，需 要进行电源转换【2 1 】。本d s p 系统中，先采用d c - d c 隔离开关电源模块将电压从+ 2 4v 转化为+ 5v ，再选用t i 公司推出的l d o 芯片_ t p s 7 3 3 3 芯片【2 2 1 ( + 5v 输入、固定输 出+ 3 - 3v 1 为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 提供稳定的+ 3 3v 工作电压，上电后即可产生d s p 系统复 位所需电压信号。电源电路如图3 2 所示。t p s 7 3 3 3 具有欠压保护功能，可以提供电路 保护，同时，在电源输入端正级串联一个3a 整流二极管i n 5 4 0 8 和一个3a 6 0v 的自 恢复保险管，避免因短路或反接烧毁控制器。 1 4 长安人学硕士学位论文 l 。i 脚u - 渊“4 l - v 黟x o l t ；4 “ 桌h 一一 u 恶牛半： 垃- i ：t取勰l 国匹徽?乱w li ： 哪o x ；o l t 馓 图3 2 + 3 3v 供电电源及上电复位电路 ( 2 ) 复位电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有两个复位源，外部复位引脚复位和看门狗定时器溢出复位【2 3 1 。 d s p 复位方式有3 种：上电复位、手动复位和软件复位。前两种是通过硬件电路来实现 的，后一种则通过程序指令来实现的。为了便于调试，本系统采用了手动复位方式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的引脚r s 是复位信号的输入端，该引脚低电平有效。本系统 中复位电路由r 5 、c 1 2 和复位开关s l 组成，复位电路如图3 3 所示。为了保证芯片初 始化正确，必须保证面引脚上产生一个外部复位脉冲，一般需要保持一r s 为有效低电平， 持续3 个c l k o u t 周期。由于复位低电平时间应大于系统的晶体振荡器起振时间，而 通常晶振需要1 0 0 - - 2 0 0m s 的稳定时间，因此，复位时间应不小于2 0 0m s 。本系统的复 位电路电源上电后，电容c 1 2 充电，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的r s 将持续延迟时间t r 的低电平， d s p 上电自动复位成功。复位后，d s p 程序从0 0 0 0 h 开始运行。延迟时间t r 的值可由 r 5 、c 1 2 、r s 复位端的v i h 值计算得知。 ( 3 ) 时钟电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的时钟电路一般可采取两种接法【2 4 l ：一种是利用外接晶振和内部振 荡器共同产生时钟，即将晶振连接在芯片的x t a l l 和x t a l 2 引脚之间，这两个管脚各 接一个负载电容到地，芯片内部振荡器被使能，生成时钟；另一种是直接使用外部振荡 器时钟，即将外部时钟源直接输入到x t a l i 引脚。为了提高系统的可靠性，本系统采 用直接使用外部振荡器时钟的方法来生成时钟信号。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片x t a l 2 引脚 空置不接( 内部振荡器无效) ，将l om 有源晶体的输出时钟信号接至t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯 片的x t a l l 引脚，通过d s p 内部p l l 锁相环电路实现内部倍频，频率可达4 0m h z 2 5 1 ， 1 5 第三章人机接u 通信系统的硬件结构设计 提高了整个电路板的电磁兼容性( e m c ) 。外部使用较低频率的晶振，可以避免外部电路 干扰时钟，同时，也避免了高频时钟干扰电路板上的其他电路【2 6 1 。利用d s p 的p l l 模 块外部滤波器回路可以抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和干扰影响降到最小。时 钟电路如图3 4 所示。 v d d r e s e t 曼 c 3 3 r e s e t l = t 7 i 芷 c 2 6 o 1 l 正 v d d u n 6 0 0 妒 r r 4 5 c 6 一卜一 1 5 o _ 3 ，u f p l l f p 。f v c c 0 w 图3 3d s p 系统复位电路图3 4d s p 系统时钟电路