PIC单片机与触摸屏串行通信MODBUS协议

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。



3 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。主程序流程图如图2所示。

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  
1 0x 读开关量输出 读取一路或多路开关量输出状态
3 4x 读保持寄存器 读取一个或多个保持寄存器的数据
5 0x 写开关量输出 强置一路继电器的“分/合”输出
1x

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 1
功能码 3
读取地址高位 0
读取地址低位 31
读取数据个数高位 0
读取数据个数低位 1
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 1
功能码 3
读取字节数 2
寄存器数据高位 0
寄存器数据低位 5
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。