技術(shù)頻道

      一種基于MODBUS的嵌入式人機界面的設(shè)計與實現(xiàn)

      一、設(shè)計概要

      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。

      文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有,未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。

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