怎样去开发一种基于Modbus协议的通信程序

　　在工业控制中经常需要观察系统的运行状态或者修改运行参数。触摸屏能够直观、生动地显示运行参数和运行状态，而且通过触摸屏画面可以直接修改系统运行参数，人机交互性好。单片机广泛应用于工控领域中，与触摸屏配合，可组成良好的人机交互环境。触摸屏和单片机通信，需要根据触摸屏采用的通信协议为单片机编写相应的通信程序。Modbus协议是美国Modicon公司推出的一种有效支持控制器之间以及控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间进行通信的协议。本文以AT89S51单片机和广州易显科技有限公司的HMImaker触摸屏为例，介绍其通信程序的开发过程。
　　一、系统结构
　　实现触摸屏与单片机的通讯，主要是解决通讯协议的问题。本文使用开放的Modbus通讯协议，以触摸屏作主机（Master），单片机作从机（Slaver）。HMImaker触摸屏本身支持Modbus通讯协议，只要单片机按照Modbus协议进行收发数据，就可以进行通信了。触摸屏与单片机之间采用RS-232或者RS-485标准接口直接连接，传输速率设置为9600bps。图1为该系统的电路图。
　　将AT89S51单片机的TXD、RXD口设置为异步串行通信模式，经过MAX485芯片将TTL电平转换为RS485电平，再与HMImaker触摸屏RS-485 2W接口相连，即完成了硬件连接，其中P3.2作为收发控制信号。HMImaker触摸屏RS-485 2W接口的管脚2为485A，管脚1为485B，管脚5为公共地。
　　二、如何将HMImaker触摸屏设定成Modbus装置
　　将HMImaker触摸屏设定成Modbus装置（以称为Modbus RTU Master），单片机或其它装置只需使用Modbus协议，透过RS232/485接口，即可读写HMImaker触摸屏上的数据。将HMImaker触摸屏设定成Modbus装置的方法如下：
　　首先需在HMImaker触摸屏使用的程序的界面协议中增加一个新的设备，此时PLC种类需选择“Modbus RTU Master”，PLC接口可以选择RS232、RS4852W、RS485 4W或Ethernet，这里选择RS485 2W。如图2所示。
　　当接口选择使用RS485时，需选择使用的连接端口（COM1～COM3），并设定正确的通讯参数及站号。这里选择COM1（9600，N，8，1），站号设定为1。
　　按下“确定”键后可以在设备清单中发现一个新的装置：Modbus RTU Master，此时即完成了Modbus装置的设定，在完成界面设计的编译并将获得的NANDflash档案下载到触摸屏后，即可透过Modbus协议读写HMImaker触摸屏上的数据。
　　三、Modbus通信协议介绍
　　Modbus通信协议是一种串行的主从通信协议，网络里仅有一台设置可作为主机（称Master），其它设备作为从机（称Slaver），主机不需编号，从机必须编号。协议定义了主机查询及从机应答的信息帧格式。论文大全。通信时，主机首先向从机发出请求信息，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务，然后把执行结果返给主机。若从机接收到的校验码与本机计算的不同，则说明数据在通信过程中出现错误，从机把这次请求视为无效，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。当主机收到这一信息时，会重新发送请求信息。校验方式分为LCR（传送数据为ACSII时）校验或CRC（传送数据为二进制时）校验，这里采用CRC校验方式。信息传输为异步方式，并以字节为单位。主从站之间通讯的字格式如下：
　　字格式（串行数据） 10位二进制
　　起始位 1位
　　数据位 8位
　　奇偶校验位 无
　　停止位 1位
　　Modbus协议可支持ASCII码或二进制格式的数据传输。ACSII码方式下每一个字节数据分两个字节传送，二进制方式下用一个字节传送，为了减少数据传输量，一般选二进制数据方式。各个区允许发送的字节均为16进制的0～9，A～F。二进制信息帧标准结构为：
　　初始结构 ≥4字节的时间
　　地址码 1字节
　　功能码 1字节
　　数据区 N字节
　　错误校验 16位CRC码
　　结束结构 ≥4字节的时间
　　二进制模式中，信息开始至少需要3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止时间。发送完最后一个字符后，也有一个至少3.5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。
　　四、通信程序的开发
　　HMImaker触摸屏只支持Bit和Word地址类型，而实际的单片机或其它控制器还有Byte、Double Word等表示方法，因此在进行通信时，需要把单片机和触摸屏的数据进行变换。触摸屏画面元件读取地址的设备类型有LW、0x、1x、3x、4x、RWI、RW等选项。其中，LW表示该元件读取的是触摸屏内部的地址，如其它元件的地址；0x表示读取的是控制器的输出信号；1x表示读取的控制器的输入信号;3x和4x指控制器的寄存器地址类型，其中4x是可读可写的，3x是只读的;RWI、RW都是触摸屏的内部地址，起辅助作用。这里仅以读写LW的0地址的数据为例说明读写过程。
　　HMImaker触摸屏与单片机以Modbus协议通信，用到的Modbus功能码如下：
　　功能码 名称 作用 01 读取线圈状态 取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF） 02 读取输入状态 取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF） 03 读取保持寄存器 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 04 读取输入寄存器 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值 05 强置单线圈 强置一个逻辑线圈的通断状态 06 预置单寄存器 把具体二进值装入一个保持寄存器 1. 串口程序的初始化
　　使用定时器1作为波特率发生器，对串口的初始化程序如下：
　　void Initial（void）
　　{
　　SCON=0x50; //串口方式1，允许接收
　　TMOD=0x20; //定时器1方式2
　　TL1=0xFd; //波特率设为9600
　　TH1=0xFd; //存储定时器初始值
　　EA=1; //全局中断允许
　　TR1=1; //启动定时器
　　}
　　2. 向HMImaker触摸屏LW的0地址写入数据
　　向HMImaker触摸屏LW的0地址写入数据0x3A4B，功能码为6，程序如下：
　　void DateWrite（void）
　　{
　　ES=0; //关中断
　　unsigned int a;
　　unsigned int crc;
　　inData［0］=1; //站号
　　inData［1］=6; //功能码
　　inData［2］=0; //起始地址高位
　　inData［3］=0; //起始地址低位
　　inData［4］=0; //寄存器个数高位
　　inData［5］=1; //寄存器个数低位
　　inData［6］=2; //字节数
　　inData［7］=0x3A; //要写入数据高位
　　inData［8］=0x4B; //要写入数据低位
　　crc=0xffff;
　　crc=calccrc（9，&inData［0］）; //根据前9个字节计算CRC值
　　inData［9］=crc&0xff; //CRC值低8位
　　inData［10］=crc》》8; //CRC值高8位
　　for（a=0;a《11;a++） //共发送11个字节
　　{
　　SBUF=inData［a］; //发送数据
　　while（！TI）;
　　TI=0;
　　}
　　ES=1; //开串行口中断
　　}
　　3. 从HMImaker触摸屏LW的0地址读取数据
　　从HMImaker触摸屏LW的0地址读取数据，功能码为3，程序如下：
　　void DateWrite（void）
　　{
　　ES=0; //关中断
　　unsigned int a;
　　unsigned int crc;
　　inData［0］=1; //站号
　　inData［1］=3; //功能码
　　inData［2］=0; //起始地址高位
　　inData［3］=0; //起始地址低位
　　inData［4］=0; //寄存器个数高位
　　inData［5］=1; //寄存器个数低位
　　crc=0xffff;
　　crc=calccrc（6，&inData［0］）; //根据前6个字节计算CRC值
　　inData［6］=crc&0xff; //CRC值低8位
　　inData［7］=crc》》8; //CRC值高8位
　　for（a=0;a《8;a++） //共发送8个字节
　　{
　　SBUF=inData［a］; //发送数据
　　while（！TI）;
　　TI=0;
　　}
　　ES=1; //开串行口中断
　　}
　　发送完读取数据的信息，一旦HMImaker触摸屏接收到该信息，经过CRC校验，如果没有错误，就会把LW的0地址数据发送给单片机，共7个字节，数据格式如下：
　　字节 数据段名称
　　1 站号
　　2 功能码
　　3 读取字节数
　　4 寄存器数据高位
　　5 寄存器数据低位
　　6 CRC校验码低位
　　7 CRC校验码高位
　　单片机接收完这7个字节，根据站号、功能码及CRC校验判断是否正确，如果接收正确，则第4个字节和第5个字节的值就是所需要的HMImaker触摸屏LW的0地址的数据。
　　本系统具有连接电路简单、组态灵活、通信可靠性高等特点。由于Modbus通信协议的开放性的特点，国外进口控制器串行通信大者支持该协议，因此本文所实现的采用Modbus协议的串行通信具有广泛的应用价值。