STM32單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)實(shí)例 課件 6.3 遠(yuǎn)程IO模塊的設(shè)計(jì)

6.3遠(yuǎn)程I/O模塊的設(shè)計(jì)能力目標(biāo)：

認(rèn)知工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品中的遠(yuǎn)程I/O模塊，在理解的基礎(chǔ)上掌握其主要功能，并完成產(chǎn)品主要功能的設(shè)計(jì)。任務(wù)要求：

繪制遠(yuǎn)程I/O模塊的仿真電路，并完成STM32單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)，要求實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）模塊具備4個(gè)數(shù)字量輸入和4個(gè)數(shù)字量輸出；（2）能與組態(tài)軟件（比如MCGS）、支持Modbus_RTU通信協(xié)議的PLC（比如三菱FX3U）配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制。6.3.1遠(yuǎn)程I/O模塊簡(jiǎn)介遠(yuǎn)程I/O模塊也叫分布式I/O模塊，顧名思義是一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離I/O控制的自動(dòng)化裝置。如下圖所示，PLC和遠(yuǎn)程I/O掛在同一個(gè)總線上。遠(yuǎn)程I/O模塊無(wú)需編寫(xiě)程序，只需要設(shè)定好通信參數(shù)即可使用，可以看成是對(duì)PLC的I/O點(diǎn)的延伸或者擴(kuò)充。

國(guó)外品牌的遠(yuǎn)程I/O模塊，出于商業(yè)利益，只支持自家自動(dòng)化產(chǎn)品，兼容型較差。

國(guó)產(chǎn)品牌的遠(yuǎn)程I/O模塊，由于起步較晚，為了爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，采用通用型通信協(xié)議，兼容型較好。6.3.2CRC校驗(yàn)

數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中，由于環(huán)境干擾等因素收發(fā)數(shù)據(jù)的一致性往往得不到保證，因此常用的做法是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，如果通不過(guò)校驗(yàn)，則將整個(gè)數(shù)據(jù)包丟棄。計(jì)算數(shù)據(jù)包校驗(yàn)值添加校驗(yàn)值到數(shù)據(jù)包末尾發(fā)送數(shù)據(jù)包接收數(shù)據(jù)包重新計(jì)算數(shù)據(jù)包校驗(yàn)值與原校驗(yàn)值比較繼續(xù)解析數(shù)據(jù)包丟棄數(shù)據(jù)包相同不同數(shù)據(jù)發(fā)送端：數(shù)據(jù)接收端：CRC（CyclicRedundancyCheck，循環(huán)冗余校驗(yàn)）校驗(yàn)是一種主流的數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，常用的CRC校驗(yàn)有如下六種版本：●CRC-8●CRC-12●CRC-16（?）●CRC-CCITT●CRC-32●CRC-32C

在接下來(lái)介紹的Modbus_RTU通信協(xié)議中，我們會(huì)用到CRC-16校驗(yàn)方式。

由于CRC校驗(yàn)算法原理十分復(fù)雜，因此本課程不做深入介紹，僅提供校驗(yàn)程序，讀者直接調(diào)用校驗(yàn)碼生成函數(shù)即可。

（演示CRC校驗(yàn)相關(guān)程序的使用方法）6.3.3Modbus_RTU概述Modbus協(xié)議是由美國(guó)modicon公司（現(xiàn)已被施耐德公司收購(gòu)）于1979年提出的一種可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。Modbus協(xié)議僅定義了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可用于RS-232、RS-422、RS-485等串行總線。Modbus協(xié)議分為Modbus_RTU（√本次任務(wù)選擇）、Modbus_ASCII（×不講）兩種，本教材僅介紹Modbus_RTU協(xié)議。

Modbus協(xié)議采用如圖所示一主多從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主站對(duì)從站主動(dòng)輪詢，從站被動(dòng)應(yīng)答。Modbus通信數(shù)據(jù)包格式如圖所示，其中ADU（ApplicationDataUnit，應(yīng)用數(shù)據(jù)單元）即完整數(shù)據(jù)包，由1個(gè)字節(jié)的地址域、PDU（ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和2個(gè)字節(jié)的差錯(cuò)校驗(yàn)碼構(gòu)成。地址域即從站地址，差錯(cuò)校驗(yàn)碼即CRC-16校驗(yàn)碼。

Modbus協(xié)議的功能本質(zhì)上就是主站對(duì)從站存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)，從站存儲(chǔ)單元有兩類：

◆線圈（Coil），即布爾變量（Bit）

◆寄存器（register），即十六位無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)（Word）

（P.S：實(shí)際上，布爾變量還分為離散輸入（DiscretesInput，只讀）和線圈（Coil，讀寫(xiě)）兩種，寄存器變量還分為輸入寄存器（InputRegister，只讀）和保持寄存器（HoldingRegister，讀寫(xiě)）兩種，這里僅介紹線圈和保持寄存器兩種）功能碼代表了主站對(duì)從站存儲(chǔ)單元不同的讀寫(xiě)行為，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)，如下表所示?！白x（多個(gè)）線圈”指令，完整的指令格式如表所示。說(shuō)明：◆地址域，由1個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即Modbus從站地址，范圍0~247（248~255保留）；

◆起始地址，由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即第一個(gè)線圈的地址，范圍0000H~FFFFH；

◆線圈數(shù)量，由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即從第一個(gè)線圈開(kāi)始連續(xù)若干個(gè)線圈，范圍1~2000；

◆校驗(yàn)碼，由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即CRC校驗(yàn)碼；◆字節(jié)數(shù)，由1個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即后面記錄線圈狀態(tài)的字節(jié)的個(gè)數(shù)；◆線圈狀態(tài)，由N個(gè)字節(jié)構(gòu)成，每個(gè)字節(jié)記錄了8個(gè)線圈狀態(tài)，“0”代表“OFF”狀態(tài)，“1”代表“ON”狀態(tài)。

主站命令：地址域功能碼0x01起始地址H起始地址L線圈數(shù)量H線圈數(shù)量L校驗(yàn)碼H校驗(yàn)碼L從站響應(yīng)：地址域功能碼0x01字節(jié)數(shù)線圈狀態(tài)（N個(gè)字節(jié)）校驗(yàn)碼H校驗(yàn)碼L

下面是一個(gè)請(qǐng)求“讀線圈”20-38（Hex：0013H~0025H）的實(shí)例：

其中：

將輸出27~20的狀態(tài)表示為十六進(jìn)制字節(jié)值CDH，或二進(jìn)制11001101B；

在最后的數(shù)據(jù)字節(jié)中，將輸出狀態(tài)38-36表示為十六進(jìn)制字節(jié)值05H，或二進(jìn)制00000101B。線圈地址2726252423222120線圈狀態(tài)11001101線圈地址×××××383736線圈狀態(tài)00000101注意，這里不是從0014H~0026H“寫(xiě)單個(gè)線圈”指令，完整的指令格式如表所示。說(shuō)明：◆地址域，由1個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即Modbus從站地址，范圍0~247（248~255保留）；◆線圈地址，由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即地址范圍為0x0000~0xFFFF；◆線圈狀態(tài)，由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，0x0000代表“OFF”狀態(tài)，0xFF00代表“ON”狀態(tài)；◆校驗(yàn)碼，由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，即CRC校驗(yàn)碼。值得注意的是，“寫(xiě)單個(gè)線圈”指令的從站響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式與主站命令數(shù)據(jù)包格式完全相同。主站命令：地址域功能碼0x05線圈地址H線圈地址L線圈狀態(tài)H線圈狀態(tài)L校驗(yàn)碼H校驗(yàn)碼L從站響應(yīng)：地址域功能碼0x05線圈地址H線圈地址L線圈狀態(tài)H線圈狀態(tài)L校驗(yàn)碼H校驗(yàn)碼L

下面是一個(gè)請(qǐng)求“寫(xiě)單個(gè)線圈”

173（Hex：00ACH）的實(shí)例：

注意，這里不是00ADH6.3.4仿真電路的繪制為了保護(hù)單片機(jī)，遠(yuǎn)程I/O模塊的輸入與輸出接口與單片機(jī)的GPIO引腳需要進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，下面兩張圖分別是1路輸入隔離電路（左）和1路輸出隔離電路（右）。

為了提高電路仿真執(zhí)行效率，仿真時(shí)必須將隔離電路簡(jiǎn)化。如下圖所示，仿真電路中，用按鈕模擬數(shù)字量輸入，用LED模擬數(shù)字量輸出。6.3.5任務(wù)程序的編寫(xiě)

本次任務(wù)需要用到的新的API函數(shù)有：①HAL_UART_Transmit_IT

串口發(fā)送函數(shù)（帶中斷）例程：//將數(shù)組dat中的第一個(gè)元素通過(guò)串口1發(fā)送并開(kāi)中斷if(HAL_UART_Transmit_IT(&huart1,dat,1)!=HAL_OK){Error_Handler();}

②

HAL_UART_TxCpltCallback

串口發(fā)送完畢回調(diào)函數(shù)例程：//串口1發(fā)送完畢回調(diào)voidHAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){ if(huart==&huart1){…}}

本次任務(wù)中，需要用到兩個(gè)軟件：組態(tài)軟件“MCGS嵌入版”、“凌一”PLC模擬器

（1）MCGS嵌入版

MCGS嵌入版是用來(lái)組態(tài)“昆侖通態(tài)”觸摸屏的軟件，軟件使用免費(fèi)，軟件自帶模擬器，因此可以利用模擬器來(lái)模擬觸摸屏的運(yùn)行。沒(méi)有學(xué)過(guò)的同學(xué)，可以直接調(diào)用筆者配置好的工程文件，值得注意的是，MCGS中Modbus線圈的地址不是從0開(kāi)始，而是從0x0001開(kāi)始，存在一個(gè)偏移量，如下圖所示。