毕业设计：基于单片机的MODBUS通讯器的设计

1、基于单片机的基于单片机的 MODBUSMODBUS 通讯器的设计通讯器的设计 摘摘 要要:随着现场总线在工业应用中的越来越广泛，越来越普及，Modbus 作 为其中的一种简单协议也受到不少的欢迎。本论文根据 Modbus 协议中 RTU 模 式实现读寄存器、写单个寄存器、写多个寄存器等多个功能。本系统从机以 STC12C5A60S2 为基本平台，利用 RS232 串口实现与上位机通讯，用单片机的内 部 RAM 寄存器模拟协议中的寄存器，根据寄存器的值调节单片机 PWM 输出， 改变 LED 灯的亮度，单片机读取实时温度。本系统上位机以 STM32F103RBT6 为 平台，通过 4.3 寸 TFT 触摸屏实现查询从机、设置从机参数等功能，实时显示 从机的通讯状态、寄存器的值、温度测量值。另外本系统还具有掉电保存、温 度报警功能。 关键词关键词: Modbus、LED、寄存器、RS232、STC12C5A60S2、温度报警、 STM32F103 The design of MODBUS communicator based on MCU Abstract : With the field

2、bus using in the industrial application widely and popularly, modbus is more welcomed as one of its simple agreement. According to the RTU schema of modbus in modbus agreement, the paper mainly achieves the function of reading register, writing single register and multiple registers etc. The slave of system uses the STC12C5A60S2 as the basic platform and RS232 to realize the communication with the Host computer. The system will use the register of internal ram in mcu to simulate the register in

3、agreement , and according to the value of register it can adjust the mcu output of PWM, change the brightness of LED, and acquire the real time temperature. The Host computer of system uses STM32F103RBT6 as platform, by the 4.3 inches touching screen, it will realize the function of querying slave ,setting parameter of the slave, displaying the communication status of slave and the value of register and temperature measured. Besides, the system also has preservation of power down and temperature

4、 alarm functions. Keywords: Modbus、LED、Register、RS232、STC12C5A60S2、Temperature Alarm、STM32F103 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 概述1 1.2 目的与意义2 1.3 发展现状和前景展望 3 1.4 研究的主要内容和步骤 4 1.4.1 主要内容.4 1.4.2 设计的步骤.4 第第 2 章章 系统设计方案系统设计方案6 2.1 设计方案选择.6 2.2 芯片选择6 2.3 软件方案设计7 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计8 3.1 主机 CPU 模块 8 3.2 电源模块9 3.3 液晶显示模块10 3.4 存储模块11 3.5 程序调试下载模块12 3.6 串口通讯模块13 3.7 从机主控模块14 3.8 LED 灯显示模块15 3.9 温度检测模块15 第第 4 章章 软件设计软件设计.17 4.1 串口通信模块.17 4.2 数据帧处理模块.17 4.3 参数保存模块.19 4.4 液晶显示模块.20 第第 5 章章 系统

5、调试系统调试.23 5.1 硬件调试.23 5.1.1 主机电路板调试.23 5.1.2 从机电路板调试.24 5.2 软件件调试.24 5.2.1 调试平台24 5.2.2 调试问题25 5.3 调试结果.26 参考文献参考文献28 致致 谢谢29 附录附录 1 主机硬件原理图主机硬件原理图.30 附录附录 2 从机硬件原理图从机硬件原理图.31 附录附录 3 主机主机 PCB 实物图实物图 32 附录附录 4 从机从机 PCB 实物图实物图 33 附录附录 5 主机通讯程序代码主机通讯程序代码.34 附录附录 6 从机通讯程序代码从机通讯程序代码.38 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 概述概述 Modbus 是由 Modicon 在 1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线 协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已 将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA 组织，并成立了 Modbus-IDA 组织，为 Modbus 今 后的发展奠定了基础。 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制

6、器相互之 间、控制器经由网络和其它设备之间通讯。它已经成为一种通用工业标准。有了它， 不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制 器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了控制器 请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。 它制定了消息域格局和内容的公共格式。 当在 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址， 识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信 息并用 Modbus 协议发出。 Modbus 具有以下几个特点： 1、标准、开放，用户可以免费、放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可证费， 也不会侵犯知识产权。目前，支持 Modbus 的厂家超过 400 家，支持 Modbus 的产品超 过 600 种。 2、Modbus 可以支持多种电气接口，如 RS-232、RS-485 等，还可以在各种介质上 传送，如双绞线、光纤、无线等。 3、Modbus 的帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。 在大多数工厂

7、里，现场仪表采用单独的控制室直连对绞线电缆连接到控制系统。 当仪表设备被连接到一种分散式 I/O 系统的时候，可以增加更多的现场设备，但是仅 仅需要一根对绞线电缆就可以把所有数据传送到 MODBUS 主站。以 MODBUS 网络的 方式组网连接的时候，把现场设备连接到一个过程控制系统、PLC 或是工业计算机系 统，整个工厂的连接都能够从对绞线电缆控制室直连的方式转变成为 MODBUS 连接方 式。 到目前为止，我们仅仅涉及到了简单的 MODBUS 数据采集系统。还有一种方案也 2 是可能的，那就是把控制设备安装在现场，然后通过 MODBUS 使其与中央控制系统进 行通讯。它也可以被编程用来执行控制功能，例如 PID 控制、ON/OFF 控制、现场报 警、诊断以及报警监视等。 另一种“智能化”并且具有控制能力的 MODBUS 设备是来自于 Moore Industries 公 司的 MDS 方程站。这是一种多功能控制器，它能够执行很多种类型的控制功能和运算。 有了 MDS 方程站，在实现简单控制任务、多变量控制任务（例如监视和控制一个蒸煮 器里的纸浆液位或者使用来自多个流量、温度和压力变

8、送器的输入信号实现质量流量 计算）时就不再需要 PLC 或者大型控制器了。最多可以有 127 个 MDS 模件被安装在 一个 MODBUS 网络上面来实现对工厂的控制或是采集整个工厂的信号。 PID（比例、积分和微分）控制器最初都是单机独立运行的无通讯控制器。由于 PLC 和 DCS 都已经智能化，因此现在 PID 控制器也智能化了。今天，许多终端用户依 然青睐那些直接读出和编程简单的单回路控制器。诸如 MODBUS 等数字化通讯协议能 够给这些一直单机运行的仪表注入一些新的活力。通过对这些控制器进行多分支网络 连接，可以创造一个自己的小型分散控制系统。 现代的控制领域持续不断的产生和应用诸如现场总线和网状网络等先进概念， MODBUS 的简单性以及它的便于在许多通讯媒介上实施应用的特点一直使它受到最广 泛的支持，并且成为全球应用最广泛的工业协议。当使用现有老式控制系统的用户发 现自己需要扩充现场仪表或者增加远程控制器的时候，他们都会采用 MODBUS 作为一 个能够解决复杂问题的简单解决方案。用户试图把一个外来设备连接到控制系统里面， 使用这个设备的 MODBUS 接口被证明是最为容

9、易的办法。虽然 MODBUS 已经是最为 古老的通讯方法之一，由于非常多的原因它也是最普及的通讯方法。MODBUS 便于使 用、非常可靠、价格低廉并且可以连接到控制工业领域几乎所有的传感器和控制设备。 MODBUS 广泛的应用于程序自动化、工业自动化、智能建筑、 输配电通讯 协议、智能电表、车用通讯。 1.2 目的与意义目的与意义 在现代化工业控制中, 由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性, 以及控 制与监控等任务对实时性的要求, 不同设备之间现场交互性信息的传递越来越多。但传 统的工业控制系统软件存在着一些问题。不具备开放性，各个部分的联系过于紧密， 3 使系统过于复杂。这样使系统的更新、扩展和升级变得非常困难，对系统任何一部分 的修改都有可能对其它部分造成影响，从而导致大量且烦琐的软件和硬件的修改。传 统的工业控制软件开发中出现的另一个主要问题是软件的重复开发，软件不能够复用， 资源不能共享，造成大量的人力与物力资源的浪费。虽然使用高级语言函数库让我们 可以利用面向对象的继承等方法大量重用源代码，但这些复用只是对源代码级的复用 而不是对可执行文件级的复用。 由于传统工业控制

10、系统的带来的不便，造成形成了大量的“信息孤岛”，但是，对 于工业控制而言，各站点之间不是孤立的，它们必须互相配合、协调才能保证产品质 量和实现连续生产，这就需要各站点能互通讯息。另外，上级管理网也需要与子站交 互数据，以实现全局的监控和优化。然而，子站是采用不同开发平台、不同通讯协议 组成的结构系统，可能由不同的厂家和个体开发。要为每种协议写一个转换接口或驱 动是比较繁琐的，特别是在站点和协议较多的时候。因此，怎样有效集成数据，避免 信息孤岛的出现，是工业控制领域中常遇到难点问题之一。 比较好的方法是各站点都采用标准协议进行数据通讯，而不必为每一种协议开发 一个通讯接口。目前这方面的协议比较多，MODBUS 就是其中的一种。MODBUS 是 一种全开放, 免费提供,非常容易理解和实施的协议, 从 70 年代诞生以来,在制造业、电 力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施的工业领域中的数据采集和过程控制得到了 广泛应用, 形成了一种事实上的工业标准。同时， 随着单片机技术的迅速发展, 单片 机技术已逐步进入工业自动化领域, 单片机以体积小、质量轻、价格便宜、应用方便等 优势。它允许 MODB

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