基于MODBUS協議的人機界面和單片機串行通信

孟祥劍，黎向陽

(國防科技大學電子科學與工程學院，長沙 410073)

基于MODBUS協議的人機界面和單片機串行通信

孟祥劍，黎向陽

(國防科技大學電子科學與工程學院，長沙 410073)

為實現人機界面和單片機之間的可靠通信，對基于MODBUS協議的人機界面和單片機串行通信進行了研究。在詳細討論了MODBUS通信協議的基礎上，設計了以人機界面和單片機為核心的通信系統。通信由單片機主控，軟件采用MODBUS協議的RTU模式數據格式編程。介紹了基于單片機的MODBUS協議實現，以循環冗余校驗(CRC)為例介紹了人機界面宏指令。測試結果表明:該系統穩定可靠且實時性強，人機交互能力較好。

MODBUS協議;人機界面;單片機;串行通信

MODBUS協議是MODICON公司提出的開放式現場總線通信協議。通過此協議，可實現在不同控制器之間、控制器和其他設備之間進行串行通信，目前已成為一種工業領域被廣泛使用的，真正開放、標準的網絡通信協議，是事實上的主流工業通信標準之一［1－2］。

帶觸控功能的彩色液晶屏的人機界面(HMI)，如臺達公司的DOP－B系列，具有良好的人機交互能力，具備精細高畫質顯示、多種通信接口、方便直觀的開發環境和元件庫，在一些嵌入式電子系統中應用非常廣泛［3］。人機界面一般都集成了基于MODBUS協議的驅動程序，可與上百種可編程邏輯控制器(PLC)或設備通訊。

電子系統常常需要具備參數設置、運行監控、故障診斷等人機交互功能。當系統設計中不具備PLC器件時，與人機界面的通信就需要自主開發。本文基于單片機主控，采用MODBUS協議，設計開發了人機界面通信系統，解決了人機界面對單片機采集數據的顯示和相關參數設置問題。

1 MODBUS協議

MODBUS協議規定通信遵循主從式通信方式，支持RS－232/422/485接口標準［4］。該協議規定主站發送的查詢數據幀格式:從站站號、功能碼、需要發送的數據和校驗碼。從站站號表示需要訪問的從站地址，功能碼表示將要執行什么樣的操作。相應的從站返回的數據幀格式也遵循類似的格式［5－6］。正常通信時，從站返回的從站站號及功能碼和主站發送的站號及功能碼一致。如果通信過程中出錯，那么從站將功能碼的最高位置1形成新的功能碼，表示傳輸出錯，形成錯誤數據幀并返回給主站。通信過程中，主站和從站需要遵循相同的校驗方式。

該協議有兩種通信模式:ASCII(american standard code for information interchange)模式和RTU(remote terminal unit)模式［4］。兩種模式下的數據幀格式如表1所示。

1.1 ASCII模式

在ASCII模式下，數據幀中的每個字節都作為2個ASCII字符來發送，例如站號01，在ASCII模式下應該發送ASCII碼:30H 31H。該模式以字符冒號(:)字符(ASCII碼是3AH)作為起始位，以字符回車換行(ASCII碼為0DH 0AH)為終止位。ASCII模式下的校驗方式采取縱向冗余校驗(longitudinal redundancy check，LRC)。通信過程中，設備不斷監測總線上的冒號字符，當監測到冒號字符時，判斷下一個地址信息是否和設備自己的站號相同。如果相同，則進行下一步處理;如果不同則不處理。ASCII模式的主要優點是2個字符之間的時間間隔可達到1 s且不會發生錯誤。

1.2 RTU模式

在RTU模式下，數據幀中的每個字節用2個十六進制字符來表示。可以看出該模式在同樣的傳輸速率下，能傳輸比ASCII模式更多的數據。RTU模式下，MODBUS協議規定以至少3.5個字符時間間隔作為起始位和終止位。它采用循環冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)方式校驗由站號、功能碼和數據組成的數據串。需要注意的是:當CRC被添加到數據幀中時，低字節在前，高字節在后。設備接收到其他設備發來的數據后，對收到的站號、功能碼和數據計算CRC校驗碼，并將計算的CRC校驗碼和接收到的CRC校驗碼相比較，判斷傳輸過程中是否出錯。

MODBUS協議規定了很多功能碼，如讀多個寄存器命令03、寫多個寄存器命令16等。表2給出了RTU模式下，主站讀取從站站號為02、地址為0142H起始的連續2個寄存器地址數據的查詢數據幀，表3給出了相應的從站返回數據幀。

表2 RTU模式下主站查詢數據幀

表3 RTU模式下從站返回數據幀

2 系統硬件構成

以單片機和人機界面為核心、結合數字電壓表設計了MODBUS協議通信系統如圖1所示。該系統中，MCU采用單片機CY7C68013作為主站。人機界面采用臺達公司的集成宏指令功能的人機界面DOP－B07S515作為從站1來提供顯示和控制功能。數字電壓表采用集成MODBUS協議的直流電壓表作從站2實時采集電壓數據。系統總線采用RS－485總線接口方式。系統工作時，作為主站的MCU周期性地對從站的狀態進行查詢。先由主站MCU讀取數字電壓表的數據，然后將讀取到的數據寫入人機界面。當用戶對人機界面進行控制操作，例如實時輸入數據時會產生數據變化，該變化被主站的MCU查詢到后，MCU會立即解析并設置相應的寄存器地址數據。

圖1 通信系統硬件結構

RS－485采用差分線形式，能較好地抑制干擾，并且傳輸距離較遠，具有適合分布式系統等諸多優點，在工業控制方面得到了廣泛使用［7－8］。本通信系統采用RS－485接口。人機界面和數字電壓表均具備RS－485的接口。

3 軟件流程

3.1 主站單片機編程

系統軟件采用MODBUS協議的RTU模式編程。要實現系統整體正常通信，作為主站的單片機非常重要。系統工作時的所有命令都是先由它發出的。主站的編程主要包括3個方面:系統初始化、MODBUS協議解析處理和必要的時序控制。下面將分別闡述這3個方面。

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系統初始化主要是指單片機及數字電壓表串口的初始化。對單片機而言，就是設定串口的波特率、工作模式、開啟串口中斷、啟動定時器等。單片機CY7C68013有2個串口，本文使用串口0作為發送和接收端口。對數字電壓表而言，需要按照它內部集成MODBUS協議的通信格式對其進行串口初始化的設置，確保數字電壓表的串口參數和主站的串口參數保持一致。

MODBUS協議解析是指對MODBUS協議規定的數據幀進行處理，這其中包括數據發送和接收處理、數據幀解析和CRC校驗。數據發送采用查詢方式，數據接收采用中斷方式。

數據幀解析方面，首先結合數字電壓表的協議說明，編寫了讀取數字電壓表的函數read－Watch。此外還利用03讀寄存器命令編寫了讀取人機界面寄存器數據，利用16命令寫多個寄存器命令編寫了寫入人機界面寄存器數據的函數，限于篇幅，這里僅給出了讀數字電壓表的程序［6］。

時序控制方面，主站主要運用定時查詢、中斷等手段實現協議規定的通信時序控制。為了遵循RTU模式下的起始和終止位至少需要3.5個字符的延時要求，在發送和接收函數的前后分別加入了延時函數Delay。此外，主機在先后兩次發送數據幀之間留有足夠的時間間隔，使得從站有充分的時間響應主站的查詢請求。

3.2 從站人機界面編程

DOP－B07S515人機界面是臺達公司最近推出的高性能人機界面。該人機界面集成了功能強大的宏指令功能。宏指令功能提供了相當多樣的指令，利用宏指令不僅可以處理復雜的運算，還可以自行編寫通信協議，大大擴展了人機界面的功能。人機界面在和單片機相連接時，由于內部沒有集成的通信驅動程序，故需要根據MODBUS協議編寫相應的宏指令程序。

系統主要實現了單片機寫入和讀取人機界面的數據的功能。利用配套的人機組態軟件DOPSoft編輯畫面，設置界面上的各元件對象屬性，并依據MODBUS協議RTU模式編寫宏指令程序，離線模擬成功后將數據及畫面資料利用USB下載線加載到人機界面中［4］。作為從機，人機界面的程序流程見圖2。在利用通信宏指令進行串口初始化時的參數設置必須嚴格地和主站的串口初始化數據一致，這樣才能保證雙方正常通信。

圖2 人機界面程序流程

編寫的人機界面效果圖見圖3。可以看出:主站單片機接收到數字電壓表測量到的電壓數據是12.05 V，主站單片機將該數據寫入人機界面。同時，利用人機界面可以對相關參數進行設置，參數設置畫面見圖4。人機界面分別給出了在參數顯示和參數設置下主站單片機發送的數據幀和從站人機界面的返回數據幀。試驗結果表明:該通信系統性能穩定，可靠性高，人機界面顯示清晰，畫面美觀，人機交互能力較好。

圖3 人機界面效果圖

圖4 參數設置界面

4 結束語

為了實現人機界面和單片機之間的可靠通信，本文基于單片機主控，利用MODBUS協議設計了以人機界面和單片機為核心的通信系統。測試結果表明:該系統具有界面顯示豐富友好、組態靈活、通信可靠性高、實時性強等特點，能較好地應用于電子系統中的數據監測、實時參數設置。對基于如單片機等微處理器的控制系統具有廣泛的應用價值和參考意義。

［1］袁臣虎，王臻，李秀艷，等.基于MODBUS協議的觸摸屏與TMS320F2812串行通信研究［J］.天津工業大學學報，2010，29(2):63－67.

［2］溫建明，魯五一，袁慶國.基于MODBUS協議的觸摸屏與單片機通信的實現［J］.起重運輸機械，2008(7): 39－42.

［3］臺達電子工業股份有限公司.DOP－B系列人機界面使用手冊［M］.臺灣:臺達電子工業股份有限公司，2012.

［4］李喜東，劉波濤，劉剛.Modbus RTU串行通訊協議在工業現場的應用［J］.自動化技術與應用，2005，24 (7):37－40.

［5］朱小超，徐雪春.基于Modbus協議的上位機與單片機通信的實現與仿真［J］.儀表技術與傳感器，2011(6): 65－68.

［6］顏河恒，王曉華，佟為明.Modbus關鍵技術分析及節點開發［J］.自動化技術與應用，2006，25(5):49－51.

［7］陳池，陳巒，任金忠.基于MODBUS協議的RS－485工業現場總線系統［J］.裝備制造技術，2009(5):93－96.

［8］王書根，王振松，劉曉云.Modbus協議的RS485總線通訊機的設計及應用［J］.自動化與儀表，2011(5):25－28.

［9］向陽，徐景濤，董鵬永.基于MODBUS協議的CRC編碼研究［J］.太原科技，2007(9):40－43.

(責任編輯 楊黎麗)

Serial Communication System Design between Touch Screen and MCU Based on MODBUS Protocol

MENG Xiang－jian，LIXiang－yang
(College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

For reliable communication between humanmachine interface(HMI)and MCU，the serial communication based on the MODBUS protocol is studied.The MODBUS communication protocol is discussed in detail.A communication system based on the HMIand MCU is designed.The communication is controlled by MCU.The software of the system is programmed by the data transmission format of MODBUSRTU.The MODBUS protocol MCU－based is realized.Then the HMImacro instruction is introduced by cyclic redundancy check.Experimental results show that the control system is stable，reliable，and has the ability to better human－machine interaction.

MODBUS protocol;human machine interface;MCU;serial communication

TP29

A

1674－8425(2014)09－0087－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.019

2014－04－09

孟祥劍(1991—)，男，安徽濉溪人，碩士研究生，主要從事寬帶信號產生技術研究;黎向陽(1972—)，男，湖南瀏陽人，副教授，碩士生導師，主要從事新體制雷達系統設計和實時信息處理研究。

孟祥劍，黎向陽.基于MODBUS協議的人機界面和單片機串行通信［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(9):87－91.

format:MENG Xiang－jian，LIXiang－yang.Serial Communication System Design between Touch Screen and MCU Based on MODBUS Protocol［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014 (9):87－91.