李 鵬，王 莉

（江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，借助于檢測終端、控制終端、顯示終端及無線傳輸端為一體的智能化控制系統(tǒng)逐漸成為工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。在工業(yè)領(lǐng)域大多采用可編程邏輯控制器（pro?grammable logic controller，PLC）與觸摸屏結(jié)合的方式完成現(xiàn)場操控［1］，PLC 技術(shù)穩(wěn)定性好、抗干擾性強，但是成本較高。微控制器技術(shù)采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統(tǒng)等功能集合為一體［2］，具有體積小、功耗低及成本低等特點。微控制器技術(shù)可廣泛用于自動化控制領(lǐng)域，替代傳統(tǒng)可編程控制器的部分功能，實現(xiàn)現(xiàn)場對象的邏輯控制，有較好的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的工控領(lǐng)域大多采用的是同廠商的觸摸屏與PLC 相互結(jié)合的應(yīng)用方案［3］。本文以STM32 單片機(jī)與西門子Smart 700 觸摸屏為例，為了實現(xiàn)不同廠商設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信技術(shù)問題，建立與微控制器通信案例，技術(shù)上采用Modbus RTU 標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議建立設(shè)備間的通信橋梁。采用Smart 700 觸摸屏作為上位機(jī)運行人機(jī)交互控制界面，STM32 作為下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制等功能，設(shè)備間采用RS485 接口，按照Modbus RTU 通信協(xié)議方式建立單片機(jī)與觸摸屏的驅(qū)動，編寫通信協(xié)議、設(shè)計軟件并進(jìn)行實驗測試。

1 西門子Smart 700 觸摸屏簡介

西門子Smart 700 觸摸屏是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場人機(jī)交互的屏幕系統(tǒng)，具備微小的操作系統(tǒng)、高分辨率寬屏顯示、節(jié)能降耗及強大且豐富的通信能力［4］。Smart 700 觸摸屏人機(jī)界面功能強大，其界面設(shè)計主要是在WinCC flexible 中實現(xiàn)，根據(jù)項目需求設(shè)計按鈕、圖形、數(shù)字等功能按鍵來處理、監(jiān)控、管理多變的信息化顯示屏幕。

觸摸屏的通信配置在WinCC flexible 軟件中進(jìn)行選型設(shè)計（通信?連接?通信驅(qū)動程序），驅(qū)動選擇Modicon Modbus v3 驅(qū)動程序，通信協(xié)議配置如表1 所示。

表1 HMI 設(shè)備通信配置Tab.1 HMI device communication configurations

2 Modbus RTU 協(xié)議

Modbus 通信協(xié)議是Modicon 公司為使用PLC 通信而發(fā)表［5］，該協(xié)議廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場，通過該協(xié)議可以完成多控制器之間、不同型號設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信［6］。該協(xié)議采用主從應(yīng)答通信，明確規(guī)定了主從應(yīng)答通信行為、設(shè)備識別碼、設(shè)備驗證碼及標(biāo)準(zhǔn)的報文結(jié)構(gòu)格式，目前是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。Modbus 主要有以下3 種通信方式：以太網(wǎng)的Modbus TCP、異步串行通信的Modbus RTU、基于高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)的Modbus PLUS［7］。常用的物理接口有RS232/RS422/RS485、光纖、無線等通信接口［8?9］。本文采用異步串行通信，通信接口采用RS485 的連接。

協(xié)議格式是完成不同設(shè)備間溝通的橋梁，Smart 700 觸摸屏配套的組態(tài)軟件是WinCC flexi?ble，該軟件內(nèi)無單片機(jī)的驅(qū)動。本節(jié)研究兩個方面的內(nèi)容，即Modbus RTU 數(shù)據(jù)通信的命令串格式和觸摸屏發(fā)出命令的含義。

2.1 Modbus RTU 協(xié)議格式

Modbus 通信方式有多種，本文主要采用Modbus RTU 異步串行通信方式，其數(shù)據(jù)格式包括：地址碼+ 功能碼+ 數(shù)據(jù)+ 循環(huán)冗余校驗（cycle redundancy check，CRC），各部分含義如表2所示。

表2 Modbus RTU 消息幀格式Tab.2 Modbus RTU message frame format

主機(jī)對從機(jī)的操作有讀數(shù)據(jù)操作和寫數(shù)據(jù)操作，完成對特定內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和預(yù)設(shè)功能。

主機(jī)對從機(jī)寫數(shù)據(jù)操作，如表3 所示。

表3 主機(jī)對從機(jī)寫數(shù)據(jù)格式Tab.3 Writing data format from host to slave

主機(jī)對從機(jī)讀數(shù)據(jù)操作，如表4 所示。

表4 主機(jī)對從機(jī)讀數(shù)據(jù)格式Tab.4 Host reading data format from slave

單片機(jī)接收到這串?dāng)?shù)據(jù)后，根據(jù)消息幀數(shù)據(jù)開始進(jìn)行CRC 校驗，判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果判斷數(shù)據(jù)無誤，則返回信息給主機(jī)，應(yīng)答格式如表5 所示。

表5 從機(jī)對主機(jī)反饋數(shù)據(jù)格式Tab.5 The data format of the slave to host feedback

地址碼主要是用來識別同一線路上不同設(shè)備的信息號，區(qū)別特定對象上的數(shù)據(jù)身份，其構(gòu)成可以從1 到247 標(biāo)號。主機(jī)發(fā)送帶設(shè)備地址的消息幀，從機(jī)都可以收到信息，但是只有設(shè)置了匹配的設(shè)備號才能響應(yīng)。

功能號主要是用來說明該數(shù)據(jù)幀的用途，從機(jī)根據(jù)幀信息完成數(shù)據(jù)的讀取或賦值功能，完成幀數(shù)據(jù)的動作，常用的功能碼如表6 所示。

表6 Modbus RTU 常用功能碼Tab.6 Modbus RTU common function codes

常用的寄存器地址分配有離散量輸入，地址范圍0X00001 ～0X0FFFF，輸出繼電器地址范圍0X10001 ～0X1FFFF，輸入寄存器地址范圍0X30001 ～0X3FFFF，輸出寄存器地址范圍0X40001 ～0X4FFFF。

2.2 Smart 700 觸 摸 屏Modbus 指 令

Smart 700 IE 1000 觸摸屏的人機(jī)交互界面是通過WinCC flexible 組態(tài)編程軟件完成功能界面設(shè)計，然后下載到觸摸屏內(nèi)。本文建立了Modicon Modbus 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議驅(qū)動，其運行流程如圖1 所示。系統(tǒng)運行開始，從起始單元進(jìn)行主動查詢，發(fā)送查詢功能碼，如果工控機(jī)有預(yù)設(shè)操作，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)發(fā)送預(yù)設(shè)參數(shù)，完成后繼續(xù)發(fā)送下一個單元請求查詢命令；如果上位機(jī)無預(yù)設(shè)指令，上位機(jī)繼續(xù)發(fā)送讀取內(nèi)存單元命令。當(dāng)上位機(jī)獲取到了響應(yīng)讀取指令，先獲取指令值，且上位機(jī)地址指針自加并發(fā)送下一幀讀取命令，同時判斷地址指針的范圍，范圍內(nèi)繼續(xù)循環(huán)，范圍外重新開始新的一輪請求查詢。當(dāng)上位機(jī)沒有收到響應(yīng)，在循環(huán)周期內(nèi)繼續(xù)請求當(dāng)前讀取數(shù)據(jù)，周期外將會從起始地址開始請求。在一個周期內(nèi)完成所有內(nèi)存單元的查詢工作，周期循環(huán)執(zhí)行。

圖1 Smart 700 觸摸屏Modbus 運行流程圖Fig.1 Smart 700 touch screen Modbus operation flow chart

Smart 700 IE 1000 觸摸屏與單片機(jī)通信采用主從通信模式，上位機(jī)Smart 700 為主機(jī)，從機(jī)為STM32 主控板。主機(jī)配置有Modicon Modbus 通信協(xié)議驅(qū)動程序，上電后系統(tǒng)自動開始運行，上位機(jī)Smart 700 作為主機(jī)自動按周期循環(huán)發(fā)送請求讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)命令，通過RS485 通信接口發(fā)送到STM32 單片機(jī)。下位機(jī)接收到上位機(jī)請求命令后，首先進(jìn)行CHR 數(shù)據(jù)校驗，如果校驗錯誤，返回重新查詢接收；如果校驗正確，解析獲取功能碼。如果是讀取命令，單片機(jī)按照Modbus命令格式發(fā)送內(nèi)存單元的數(shù)值到上位機(jī)；如果接收到的是寫命令，單片機(jī)將對本機(jī)內(nèi)存單元進(jìn)行賦值操作。解析完成讀寫命令后，返回重新查詢接收，循環(huán)查詢上位機(jī)的請求命令，掉電后自動停止發(fā)送，其流程圖如圖2 所示。

圖2 Smart 700 觸摸屏與STM32 單片機(jī)Modbus 通信流程圖Fig.2 Modbus communication flow chart between Smart 700 touch screen and STM32 MCU

3 STM32 單片機(jī)的軟件設(shè)計

STM32F1X 單片機(jī)作為下位機(jī)［10?11］，主要完成功能包括編寫Modbus 解析程序、RS485 發(fā)送接收程序、傳感器信號檢測、接收及驅(qū)動信號發(fā)送等。

3.1 CRC 校驗碼的生成

CRC 是檢查通信可靠性的一種方式，Modbus RTU 為了獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用16 位CRC對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其校驗流程如圖3 所示。單片機(jī)獲取消息幀后，截取總長度的前n ～16位字符串?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行累加，獲取結(jié)果的低16 位數(shù)據(jù)，然后將計算的CRC 與發(fā)送到的CRC 進(jìn)行對比，完成數(shù)據(jù)校驗。

圖3 CRC 數(shù)據(jù)校驗流程圖Fig.3 CRC data verification flow chart

以下為單片機(jī)CRC 校驗的部分腳本程序：

u16 Computes_CRC16（u8 *DAT，u8 L）//指針DAT 為要校驗數(shù)組，L 為組長

｛u16ComCRC = 0xffff；u8 i；u8 j；

for（i = 0；i < L；i++）

｛ComCRC = ComCRC ^ DAT［i］；

for（j = 0；j < 8；j++）

｛if（ComCRC & 0x01）

｛ComCRC = ComCRC>> 1；ComCRC = ComCRC ^ 0xA001；｝

else｛ComCRC = ComCRC>> 1；｝

｝｝return（ComCRC）；｝

3.2 數(shù)據(jù)的接收

STM32 單片機(jī)數(shù)據(jù)接收主要采用串口中斷模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收［12］，Modbus 傳輸數(shù)據(jù)是固定的數(shù)字幀（屏發(fā)送請求信息幀如下所示：01 03 9C 40 00 01 AB 8E），先接收數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)BUFF 內(nèi)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、校驗，將有效的數(shù)據(jù)提取到運行BUFF 內(nèi)用于條件判斷及數(shù)據(jù)提取。

3.3 數(shù)據(jù)的發(fā)送

單片機(jī)接收到Smart 700 觸摸屏的通信請求后，先獲取運行BUFF 內(nèi)的數(shù)組，提取校驗，數(shù)據(jù)無誤發(fā)送Modbus 響應(yīng)數(shù)組，發(fā)送函數(shù)代碼如下所示。

void RS485_TX_DATA（u8 TmpH，u8 TmpL）

｛ModTX.Gnm_1［0］= 0x01；//設(shè)備號

ModTX.Gnm_1［1］= 0x03；//功能碼

ModTX.Gnm_1［2］= 0x02；//發(fā)送字符個數(shù)

ModTX.Gnm_1［3］= TmpH；//發(fā)送字符高八位

ModTX.Gnm_1［4］= TmpL；//發(fā)送字符低八位

DataMsg = ModTX.Gnm_1；//數(shù)組指針幅值

RXcrc = Computes_CRC16（DataMsg，5）；//開始CRC 校驗

RS485_Send_Data（ModTX.Gnm_1，7）；｝//發(fā)送一串響應(yīng)數(shù)組

4 STM32 單片機(jī)與Smart 700 觸摸屏的通信測試

系統(tǒng)測試對象是基于水泥灌漿自動控制系統(tǒng)的通信測試，主要包括觸摸屏西門子Smart 700設(shè)備、STM32 為主的主控板和現(xiàn)場壓力傳感器等，實現(xiàn)設(shè)備間通信。系統(tǒng)測試分為兩個部分，第一部分是Smart 700 觸摸屏循環(huán)請求獲取內(nèi)存單元值命令調(diào)試，串口反饋數(shù)據(jù)給觸摸屏；串口調(diào)試數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 Smart 700 觸摸屏通信測試Fig.4 Communication test of Smart 700 touch screen

屏請求數(shù)據(jù)：01 03 9C 40 00 01 AB 8E，是請求40000 地址一個數(shù)據(jù)。

串口響應(yīng)信息：01 03 02 00 13 F9 89，響應(yīng)一個數(shù)據(jù)19 給40000 地址。

屏請求數(shù)據(jù)：01 03 9C 41 00 01 FA 4E，響應(yīng)格式同上。

屏請求數(shù)據(jù)：01 03 9C 42 00 01 0A 4E，單片機(jī)響應(yīng)后，繼續(xù)請求，地址增加，在預(yù)定周期內(nèi)請求所有輸入寄存器的數(shù)據(jù)，完成后，程序從起始地址循環(huán)發(fā)送請求數(shù)據(jù)。

第二部分是觸摸屏與下發(fā)控制命令調(diào)試，給串口發(fā)送預(yù)設(shè)值，為單片機(jī)測試做準(zhǔn)備。如圖4所示，人機(jī)交互界面有按鈕控件，點擊壓力預(yù)設(shè)按鈕，確認(rèn)下發(fā)后，串口響應(yīng)后的指令如下：

屏預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)：01 06 9C 47 00 07 56 4D，其中01 是設(shè)備號，06 是預(yù)設(shè)功能碼，0x9C、0x47 為寄存器位地址碼，0x07 為系統(tǒng)預(yù)設(shè)的壓力值，0x56、0x4D 為CRC 校驗碼。其他控制測試為同樣方法。

最后就是總體功能測試，主要完成主控板與Smart 700 觸摸屏間的數(shù)據(jù)通信測試，其測試結(jié)果如圖5 所示。測試方法是主控板通過仿真器與觸摸屏設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)，觀察接收寄存器數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為觸摸屏下發(fā)的Modbus 數(shù)據(jù)幀，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示及分析等。

如圖5 所示，當(dāng)前顯示實時壓力為3.5MPa，運行中觸摸屏請求數(shù)據(jù)幀格式為：01 03 9C 47 00 01 1A 4F，該指令為屏請求獲取內(nèi)存地址40007 單位的值，也就是實測壓力值。

單片機(jī)接收到上位機(jī)請求數(shù)據(jù)幀后，按照通信協(xié)議，將當(dāng)前檢測到的實測壓力值按照雙方的通信格式，發(fā)送響應(yīng)幀為：01 03 02 00 23 F9 9D，其中0x00、0x23 為響應(yīng)的壓力值，當(dāng)前壓力傳感器數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制發(fā)送），發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行顯示。

觸摸屏的按鈕功能測試，點擊觸摸屏預(yù)設(shè)壓力下發(fā)控制按鈕后，觸摸屏下發(fā)命令格式為：01 06 9C 49 00 06 F6 4E，當(dāng)單片機(jī)讀取到該數(shù)據(jù)幀后，獲取第二位0x06 為功能碼，知道當(dāng)前操作為預(yù)設(shè)操作，單片機(jī)開始提取數(shù)據(jù)，獲取到的第四位和第五位的數(shù)據(jù)為0x00、0x06，即為觸摸屏下發(fā)的預(yù)設(shè)壓力值。單片機(jī)將獲取的數(shù)據(jù)賦給全局變量，用于程序邏輯控制、計算及顯示等，如圖5 所示，預(yù)設(shè)壓力為0.6 MPa（Set_YaLi= 0x06），其他觸摸屏按鈕功能預(yù)設(shè)方法一樣，如其中管道長度預(yù)設(shè)值為0.7 m（Set_GuanDao_Long = 0x07），鉆孔預(yù)設(shè)深度為0.5 m（Set_ZuanKong_Long = 0x05）等。

觸摸屏發(fā)送請求命令周期是小于50 ms，觸摸屏控制變量不多，1 s 周期內(nèi)基本可完成全部內(nèi)存單元的查詢，通過單片機(jī)單位時間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)可判斷其穩(wěn)定性。Modbus 通訊方式是標(biāo)準(zhǔn)的信息幀，還帶有CRC 數(shù)據(jù)校驗功能，實驗過程數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)通信。

圖5 STM32 單片機(jī)與Smart 700 觸摸屏聯(lián)合調(diào)試Fig.5 Joint debugging of STM32 MCU and Smart 700 touch screen

5 結(jié)語

本文分析了Modbus RTU 的通信規(guī)則及Smart 700 觸摸屏的Modbus 驅(qū)動配置，了解了報文信息的規(guī)則，然后結(jié)合STM32 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，編寫了Modbus 的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，完成了人機(jī)界面設(shè)計，最后通過實驗測試，實現(xiàn)了單片機(jī)與觸摸屏的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到了設(shè)計的要求。本次實驗可以加大單片機(jī)技術(shù)在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用，替換傳統(tǒng)可編程控制器與觸摸屏項結(jié)合的工業(yè)設(shè)計模式，減少設(shè)備成本，擴(kuò)展性能強，信號傳輸穩(wěn)定，可廣泛用于工控領(lǐng)域，具有一定的實際意義，并且該軟件具備二次開發(fā)性能，可為同類項目通信提供參考。