一種基于MODBUS的嵌入式人機界面的設計與實現

現場總線是一種用于底層工業控制和測量儀表之間的總線，人機界面設備就是作為現場總線中，控制器和操作者之間的“通信員”它可以完成現場控制器與操作者之間數據的接收和發送。本設計使用Atmel單片機89C52作為主要控制芯片，用以東芝丁6963C為控制芯片的128＊64液晶比O作為顯示界面，采用工業標準通信協議MOOBUS作為數據信息交互的介質，主要功能是完成對工業網絡中現場控制器數據的采集顯示，根據需要設定數據并發送到現場控制器完成控制任務，實現人機之間控制信息的交互傳送。文章分別介紹了硬件設計電路和軟件的設計過程，并介紹了一種好用和簡單的MOOBUS從設備調試工具——Modbus slave。

設計中使用128＊64LCD實現顯示界面如圖1所示，其中“實際值”顯示從現場取要的數據，“設定值”是由操作者設定并已傳入現場設備的參數，“操作值”顯示操作者可以修改但還未發送到現場設備的數值。最后一行用來指示4個按鍵。

二、硬件部分設計

系統硬件電路框圖如圖2。

電路部分十分簡單，包括看門狗電路、4個按鍵的直接連接、程序擴展電路、RS232電平轉換部分、液晶點陣連接部分。
MAX7OS的功能是：上電復位程序監視。89C52正常工作，執行喂狗程序時，不斷從P17輸出脈沖信號至MAX705的WDI腳，當單片機程序“跑飛”后，Pl.7不再輸出脈沖信號MAX705的WDI腳在1.6S內收不到脈沖信號，將在MAX70S的RESTE端產生高電平，產生復位信號，將單片機復位，迫使程序復位到入口處。
針對AT89C52硬件資源比較豐富，考慮采用直接方式設計鍵盤電路，而且可以簡化電路。鍵盤采用4個開關直接控制。開關的一段通過電阻連接電源和AT89C52的P10～P13管腳，而另一端接地。由于P10～P13是低電平工作，當不同的開關接通時，根據采集到不同端口是高還是低電平，來執行相應的按鍵子程序。
考慮到使用LCD具有較強的表現能力和豐富的表現方式，所以擴展了32K的EPROM27256。是為實現產品升級，完成豐富菜單，強大功能，表現動畫準備的。
128＊64液晶顯示器LCO采用直接訪問方式，直接訪問方式是把內置T6963C控制器的液晶顯示模塊作為存儲器或I/O設備直接掛在單片機的總線上。模塊的數據線接單片機的數據總線上，片選及寄存器選擇信號線由單片機的地址總線提供，讀和寫操作由單片機的讀寫操作信號控制。按口電路如圖2所示，在圖中使用了地址線AS作為模塊的寄存器選擇線C/D，使用地址線A15作為模塊操作的片選線；模塊的VO端所接的電位器是作為液晶驅動電源的調節器，調節顯示的對比度。使用該種連接方式，不用考慮T6963C的時序圖，不用對LCD的管腳進行單獨的操作來滿足時序，就像讀寫外部RAM一樣，筆者認為比采用要在程序中實現時序的間接訪問連接方式方便。
考慮到在常溫下，LCD的額定電流為0。4ma所需的功率很小，再加上RS232串口集成電路MAX232有兩路發送器、兩路轉換器，使用其中一套完成電平轉換用來通信，另一套正好用來產生-10V，該電壓由MAX232的14端供LCD顯示畫面使用。

三、軟件設計部分

下面介紹軟件部分，主要完成一下功能按鍵的查詢和響應、畫面的顯示和刷新通過MOOBUS協議完成數據的接收和傳輸通信。
軟件結構清晰，按模塊分為三大塊主程序部分、T0定時中斷、串口中斷部分。
（1）主程序部分
主程序流程圖如圖3所示，主要完成一些初始參數的設定，其中LCD的初始化包括：液晶屏的尺寸光標的位置和形狀等這部分程序在購買LCD時廠家會附帶的，根據需要修改一下即可滿足要求；還有就是將需要顯示的漢字進行編碼。定時器使用的是T0選擇方式1，采用50ms中斷查詢按鍵，考慮到還有串口中斷，使用了默認的中斷優先級，即T0中斷高于串口中斷。這種安排已通過試驗調試。在等待中斷部分安排了循環執行喂狗程序目的是在程序正常執行時起到“看門狗”的作用，在等待中斷過程中系統又不認為是“死機”。

main:
Icall clearmemory;清內存
Icall initlcd;初始化Icd
mov sp,#stackpointer;堆棧為65h
mov tmod.#21h:t0方式1，t1方式2
mov radixcursor.#10h
mov currentpagenumber,#01h;指定初始
頁號為1
mov page number,currehtpagenumber
setb es
setb ea
mov th1,#Ofdh;設定波特率9600bps
mov tl1.#Ofdh
setb tr1;啟動定時器t1
mov scoh.#Od0h
mov 2ch,用來輔助發送
mov 2bh.#10h
Icall setuptimer0;初始化定時器t0,并啟動t0
setb ren
Icall chaxuhsj;發送查詢命令
Icall showpage;顯示頁面
dieloop:
nop
Icall feeddog;執行喂狗程序
jmp dieloop;循環等待中斷
（2）T0定時中斷部分

流程圖如圖4所示，這部分主要功能是完成按鍵的查詢，并轉去執行相應的子程序本系統中一共有四個編程鍵，依次可實現修改數據、增加值、減少值和翻頁功能。當我們按下修改鍵后（即光標被激活）修改鍵可以用來移動光標位置此時按增加鍵和減少鍵可以分別增加和減少數值。其中翻頁鍵是一個復用鍵如果直接按翻頁鍵（不激活光標），那么它的功能就是在不同的頁面之間切換，并從現場收集各頁數據并顯示到LCD上：而當光標處在被激活狀態下時，按下翻頁鍵就可以向現場控制器（如DSP）發送數據達到控制目的這種“一鍵復用”的設計，在電子商品中特別常見通過軟件的設計減少了按鍵的數量，是一個比較有實際價值的設計已被廣泛使用。鍵盤采用50ms定時中斷設計，一般人手按鍵的起落時差遠大于50ms所以可以滿足設計要求而且在后面軟件部分進行了去抖動，等待按鍵抬起功能的設計。timer0int:
pushdph
pushdpl
pushacc
pushpsw
movthi0。#4bh
movtl0。#Dfdh
clrtr0;關定時器
movp1,＃Offh;置p1口為輸入狀態
mova,p1;讀按鍵
epla
anda,#00001111b;屏蔽高4位
jzgoret00;無鍵按下
movpgbkey,a
Icalldelay;有鍵按下delay10ms去抖動
Icallwait;等待按鍵抬起
Icallseankey;轉去執行相應的按鍵子程序
goret00:
setbtr0;開定時器
poppsw
popacc
popdpl
popdph
ren
（3）串口中斷部分
這部分的主要功能是通過MODBUS協議完成數據的查詢和發送。先對MODBUS做個簡單的介紹該協議通信使用主從技術，即僅主設備能初始化傳輸（查詢）其它設備（從設備），根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。按傳輸模式分為ASCII和RTU方式。本設計采用RTU方式。這種方式的主要優點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據。每個消息必須以連續流的方式傳輸。
MODBUS協議建立了主設備查詢的格式設備地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤檢測域從設備回應消息也由MODBUS協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生錯誤或從設備不能執行其命令，從設備將建立錯誤消息并把它作為回應發送出去。
查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。
回應：如果從設備產生正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應數據段包括了從設備收集的數據：像寄存器值或狀態。如果有錯誤發生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。
舉一個關于功能碼03H的例子。
主站詢問報文格式：

從站應答格式：

serialportint:
push dph
push dpl
push acc
push psw
jbc ri, receive
Icall chaxunsj;發送查詢命令
sjmp return
receive:
mov r0 ,2bh;指定用來存接收數據的地址指針
mov a,sbufall
clr riall
mov @r0 ,a
inc 2bh
mov a,2bh
Icall crc;進行crc校驗
Icall showpage
return:
pop psw
pop acc
pop dpl
pop dph
reti

筆者使用了Modbusslave軟件仿真下位機，模擬MOD-BUS的從設備。通過該軟件，用所設計人機界面可以讀取具體設備的具體各類寄存器的數據，同樣可以寫數據到指定設備中指定的各類寄存器中，這樣就完成了數據的接收和傳送。