PIC单片机与触摸屏串行通信的MODBUS协议实现
介绍一种在 PIC 单片机与触摸屏之间采用 Modbus 协议实现异步串行通信的方法。简单介绍了 Modbus 通信协议，给出了硬件电路连接图、程序流程图以及用 PIC 单片机 C 语言编写的部分通信程序。实际使用证明该方法数据传输稳定可靠，并提供了良好的人机交互环境。 关键词：触摸屏 PIC 单片机 Modbus 协议通信工控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 PIC16F877 单片机和人机电子有限公司的 eView MT510T 型触摸屏为例，介绍其通信程序的开发过程。
1 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，以触摸屏作主站，单片机作从站。eView 触摸屏本身支持 Modbus 通讯协议，如果单片机也支持 Modbus 协议，就可以进行通信了。触摸屏与单片机之间采用的 RS-232C 兼容接口直接连接，传输速率设置为 9600kb/s。图 1 为该系统的电路图。 将 PIC16F877 单片机 RC6、RC7 口设置为异步串行通信模式，经过 MAX232 芯片将 TTL 电平转换为 RS232 电平，再与 eView 触摸屏 PLC[RS-232]接口相连，即完成了硬件连接。
eView 触摸屏 PLC[RS-232]接口的管脚 2 为 TXD，管脚 3 为 RXD。 2 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。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表 1 所示。
表 1 通讯的字格式字格式（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。单片机与触摸屏地址的对应关系 eView 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。使用这些读取地址的设备类型，触摸屏即可显示或设定控制器寄存器或 I/O 口的数值。以“数值输入”元件为例，通过“小键盘”输入数据即可设置单片机寄存器或 I/O 口的数值。
如果启动了“触发地址”，那么当被触控时，输入的数据就被存放到了指定的单片机地址中。 4 通信程序的开发触摸屏与单片机的通信程序采用 PIC 单片机 C 语言编写。编译工具选择 Hitech 公司的 PICC 编译器。程序共分三大模块，即初始化模块、数据接收模块以及数据处理及发送模块。PIC16F877 单片机 USART 功能模块带有一个八位的波特率发生器 BRG，BRG 支持 USART 的同步和异步工作方式。
用 SPBRG 寄存器控制一个独立的八位定时器的周期。在异步方式下，发送状态/控制寄存器 TXSTA 的 BRGH 位（即 D2）被用来控制波特率。对串行口进行的初始化如下： GIE=1; %全局中断允许; SPBRG=25; %设置波特率为 9600； TXSTA=0x04； %选择异步高速方式； RCSTA=0x80; %允许同步串行口工作； RTISC6=1； TRISC7=1； %将 C 口的 RC6 和 RC7 设置为异步串行通信模式； PFIE=1; %外围接口中断允许； RCIE=1; %USART 接收中断允许； TXIE=1; %USART 发送中断允许； 数据接收模块由一个中断函数组成。
该中断函数将触摸屏发来的 Modbus 数据帧存储在一个自定义的数组中，当一帧数据接收完时，置接收结束标志位为 1，转入数据处理及发送模块。串行通信接收器的核心是接收移位寄存器 RSR，当接收到停止时，如果 RCREG 缓冲器为空，RSR 就把接收到的数据送入 RCREG。传送完成后，接收中断标志位 RCIF 被置 1。实际的中断是否被 CPU 响应，可以通过设置外围接口中断允许寄存器 PIE1 的中断允许位 RCIE 来控制。
数据处理及发送模块执行 Modbus 协议功能码对应的运用。eView 触摸屏与单片机以 Modbus 协议通信，用到的 Modbus 功能码如表 2 所示。 表 2 通信程序用到的功能码功能码 eView 地址名称含义作用 01 0x 读开关量输出读取一路或多路开关量输出状态 03 4x 读保持寄存器读取一个或多个保持寄存器的数据 05 0x 1x 写开关量输出强置一路继电器的“分/合”输出 16 3x 4x 预置多寄存器把具体的数据装入一组连贯的保持寄存器以 Modbus 功能码 03 为例来说明触摸屏及单片机的实际通信数据格式。
如单片机地址编号为 01H，触摸屏需要查看单片机中地址为 0031H 的寄存器的值，发送命令格式如表 3 所示。 表 3 触摸屏发送数据结构数据段名称数据值地址 01 功能码 03 读取地址高位 00 读取地址低位 31 读取数据个数高位 00 读取数据个数低位 01 CRC 校验码高位 D5 CRC 校验码低位 C5 假设单片机中地址为 0031H 的寄存器中断为 05H，则单片机的回复命令如表 4 所示。
表 4 单片机应答数据结构数据段名称数据值地址 01 功能码 03 读取字节数 02 寄存器数据高位 00 寄存器数据低位 05 CRC 校验码高位 78 CRC 校验码低位 47 当波特率达到 38400kb/s 时，通信仍然稳定可靠。本系统具有连接电路简单、组态灵活、通信可靠性高等特点，并已成功应用于物料筛选控制系统项目中。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