一種基于MODBUS的嵌入式人機界面的設(shè)計與實現(xiàn)

現(xiàn)場總線是一種用于底層工業(yè)控制和測量儀表之間的總線，人機界面設(shè)備就是作為現(xiàn)場總線中，控制器和操作者之間的“通信員”它可以完成現(xiàn)場控制器與操作者之間數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本設(shè)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議MOOBUS作為數(shù)據(jù)信息交互的介質(zhì)，主要功能是完成對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)的采集顯示，根據(jù)需要設(shè)定數(shù)據(jù)并發(fā)送到現(xiàn)場控制器完成控制任務(wù)，實現(xiàn)人機之間控制信息的交互傳送。文章分別介紹了硬件設(shè)計電路和軟件的設(shè)計過程，并介紹了一種好用和簡單的MOOBUS從設(shè)備調(diào)試工具——Modbus slave。

設(shè)計中使用128＊64LCD實現(xiàn)顯示界面如圖1所示，其中“實際值”顯示從現(xiàn)場取要的數(shù)據(jù)，“設(shè)定值”是由操作者設(shè)定并已傳入現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)，“操作值”顯示操作者可以修改但還未發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)值。最后一行用來指示4個按鍵。

二、硬件部分設(shè)計

系統(tǒng)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(zhuǎn)換部分、液晶點陣連接部分。
MAX7OS的功能是：上電復(fù)位程序監(jiān)視。89C52正常工作，執(zhí)行喂狗程序時，不斷從P17輸出脈沖信號至MAX705的WDI腳，當(dāng)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(nèi)收不到脈沖信號，將在MAX70S的RESTE端產(chǎn)生高電平，產(chǎn)生復(fù)位信號，將單片機復(fù)位，迫使程序復(fù)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(shè)計鍵盤電路，而且可以簡化電路。鍵盤采用4個開關(guān)直接控制。開關(guān)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(dāng)不同的開關(guān)接通時，根據(jù)采集到不同端口是高還是低電平，來執(zhí)行相應(yīng)的按鍵子程序。
考慮到使用LCD具有較強的表現(xiàn)能力和豐富的表現(xiàn)方式，所以擴展了32K的EPROM27256。是為實現(xiàn)產(chǎn)品升級，完成豐富菜單，強大功能，表現(xiàn)動畫準(zhǔn)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(nèi)置T6963C控制器的液晶顯示模塊作為存儲器或I/O設(shè)備直接掛在單片機的總線上。模塊的數(shù)據(jù)線接單片機的數(shù)據(jù)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(qū)動電源的調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)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(rèn)為比采用要在程序中實現(xiàn)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(fā)送器、兩路轉(zhuǎn)換器，使用其中一套完成電平轉(zhuǎn)換用來通信，另一套正好用來產(chǎn)生-10V，該電壓由MAX232的14端供LCD顯示畫面使用。

三、軟件設(shè)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(yīng)、畫面的顯示和刷新通過MOOBUS協(xié)議完成數(shù)據(jù)的接收和傳輸通信。
軟件結(jié)構(gòu)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(shù)的設(shè)定，其中LCD的初始化包括：液晶屏的尺寸光標(biāo)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(jù)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(rèn)的中斷優(yōu)先級，即T0中斷高于串口中斷。這種安排已通過試驗調(diào)試。在等待中斷部分安排了循環(huán)執(zhí)行喂狗程序目的是在程序正常執(zhí)行時起到“看門狗”的作用，在等待中斷過程中系統(tǒng)又不認(rèn)為是“死機”。

main:
Icall clearmemory;清內(nèi)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(shè)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(fā)送
mov 2bh.#10h
Icall setuptimer0;初始化定時器t0,并啟動t0
setb ren
Icall chaxuhsj;發(fā)送查詢命令
Icall showpage;顯示頁面
dieloop:
nop
Icall feeddog;執(zhí)行喂狗程序
jmp dieloop;循環(huán)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(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的子程序本系統(tǒng)中一共有四個編程鍵，依次可實現(xiàn)修改數(shù)據(jù)、增加值、減少值和翻頁功能。當(dāng)我們按下修改鍵后（即光標(biāo)被激活）修改鍵可以用來移動光標(biāo)位置此時按增加鍵和減少鍵可以分別增加和減少數(shù)值。其中翻頁鍵是一個復(fù)用鍵如果直接按翻頁鍵（不激活光標(biāo)），那么它的功能就是在不同的頁面之間切換，并從現(xiàn)場收集各頁數(shù)據(jù)并顯示到LCD上：而當(dāng)光標(biāo)處在被激活狀態(tài)下時，按下翻頁鍵就可以向現(xiàn)場控制器（如DSP）發(fā)送數(shù)據(jù)達到控制目的這種“一鍵復(fù)用”的設(shè)計，在電子商品中特別常見通過軟件的設(shè)計減少了按鍵的數(shù)量，是一個比較有實際價值的設(shè)計已被廣泛使用。鍵盤采用50ms定時中斷設(shè)計，一般人手按鍵的起落時差遠(yuǎn)大于50ms所以可以滿足設(shè)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(shè)計。timer0int:
pushdph
pushdpl
pushacc
pushpsw
movthi0。#4bh
movtl0。#Dfdh
clrtr0;關(guān)定時器
movp1,＃Offh;置p1口為輸入狀態(tài)
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(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)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(xié)議完成數(shù)據(jù)的查詢和發(fā)送。先對MODBUS做個簡單的介紹該協(xié)議通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備能初始化傳輸（查詢）其它設(shè)備（從設(shè)備），根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。按傳輸模式分為ASCII和RTU方式。本設(shè)計采用RTU方式。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。每個消息必須以連續(xù)流的方式傳輸。
MODBUS協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域從設(shè)備回應(yīng)消息也由MODBUS協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。
查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。
回應(yīng)：如果從設(shè)備產(chǎn)生正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)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。
舉一個關(guān)于功能碼03H的例子。
主站詢問報文格式：

從站應(yīng)答格式：

serialportint:
push dph
push dpl
push acc
push psw
jbc ri, receive
Icall chaxunsj;發(fā)送查詢命令
sjmp return
receive:
mov r0 ,2bh;指定用來存接收數(shù)據(jù)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(shè)備。通過該軟件，用所設(shè)計人機界面可以讀取具體設(shè)備的具體各類寄存器的數(shù)據(jù)，同樣可以寫數(shù)據(jù)到指定設(shè)備中指定的各類寄存器中，這樣就完成了數(shù)據(jù)的接收和傳送。