STM32單片機仿真開發(fā)實例 課件 6.3 遠程IO模塊的設(shè)計

6.3遠程I/O模塊的設(shè)計能力目標：

認知工業(yè)自動化產(chǎn)品中的遠程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。任務(wù)要求：

繪制遠程I/O模塊的仿真電路，并完成STM32單片機程序的設(shè)計，要求實現(xiàn)如下功能：（1）模塊具備4個數(shù)字量輸入和4個數(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）配合實現(xiàn)遠程I/O控制。6.3.1遠程I/O模塊簡介遠程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)遠距離I/O控制的自動化裝置。如下圖所示，PLC和遠程I/O掛在同一個總線上。遠程I/O模塊無需編寫程序，只需要設(shè)定好通信參數(shù)即可使用，可以看成是對PLC的I/O點的延伸或者擴充。

國外品牌的遠程I/O模塊，出于商業(yè)利益，只支持自家自動化產(chǎn)品，兼容型較差。

國產(chǎn)品牌的遠程I/O模塊，由于起步較晚，為了爭奪市場份額，采用通用型通信協(xié)議，兼容型較好。6.3.2CRC校驗

數(shù)據(jù)在傳遞過程中，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數(shù)據(jù)包進行校驗，如果通不過校驗，則將整個數(shù)據(jù)包丟棄。計算數(shù)據(jù)包校驗值添加校驗值到數(shù)據(jù)包末尾發(fā)送數(shù)據(jù)包接收數(shù)據(jù)包重新計算數(shù)據(jù)包校驗值與原校驗值比較繼續(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）校驗是一種主流的數(shù)據(jù)校驗技術(shù)，常用的CRC校驗有如下六種版本：●CRC-8●CRC-12●CRC-16（?）●CRC-CCITT●CRC-32●CRC-32C

在接下來介紹的Modbus_RTU通信協(xié)議中，我們會用到CRC-16校驗方式。

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

（演示CRC校驗相關(guān)程序的使用方法）6.3.3Modbus_RTU概述Modbus協(xié)議是由美國modicon公司（現(xiàn)已被施耐德公司收購）于1979年提出的一種可用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(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撲結(jié)構(gòu)，主站對從站主動輪詢，從站被動應(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個字節(jié)的地址域、PDU（ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和2個字節(jié)的差錯校驗碼構(gòu)成。地址域即從站地址，差錯校驗碼即CRC-16校驗碼。

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

◆線圈（Coil），即布爾變量（Bit）

◆寄存器（register），即十六位無符號數(shù)據(jù)（Word）

（P.S：實際上，布爾變量還分為離散輸入（DiscretesInput，只讀）和線圈（Coil，讀寫）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）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從站存儲單元不同的讀寫行為，長度1個字節(jié)，如下表所示?！白x（多個）線圈”指令，完整的指令格式如表所示。說明：◆地址域，由1個字節(jié)構(gòu)成，即Modbus從站地址，范圍0~247（248~255保留）；

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

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

◆校驗碼，由兩個字節(jié)構(gòu)成，即CRC校驗碼；◆字節(jié)數(shù)，由1個字節(jié)構(gòu)成，即后面記錄線圈狀態(tài)的字節(jié)的個數(shù)；◆線圈狀態(tài)，由N個字節(jié)構(gòu)成，每個字節(jié)記錄了8個線圈狀態(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校驗碼H校驗碼L從站響應(yīng)：地址域功能碼0x01字節(jié)數(shù)線圈狀態(tài)（N個字節(jié)）校驗碼H校驗碼L

下面是一個請求“讀線圈”20-38（Hex：0013H~0025H）的實例：

其中：

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

在最后的數(shù)據(jù)字節(jié)中，將輸出狀態(tài)38-36表示為十六進制字節(jié)值05H，或二進制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“寫單個線圈”指令，完整的指令格式如表所示。說明：◆地址域，由1個字節(jié)構(gòu)成，即Modbus從站地址，范圍0~247（248~255保留）；◆線圈地址，由2個字節(jié)構(gòu)成，即地址范圍為0x0000~0xFFFF；◆線圈狀態(tài)，由2個字節(jié)構(gòu)成，0x0000代表“OFF”狀態(tài)，0xFF00代表“ON”狀態(tài)；◆校驗碼，由2個字節(jié)構(gòu)成，即CRC校驗碼。值得注意的是，“寫單個線圈”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校驗碼H校驗碼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校驗碼H校驗碼L

下面是一個請求“寫單個線圈”

173（Hex：00ACH）的實例：

注意，這里不是00ADH6.3.4仿真電路的繪制為了保護單片機，遠程I/O模塊的輸入與輸出接口與單片機的GPIO引腳需要進行隔離設(shè)計，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，仿真時必須將隔離電路簡化。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

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中的第一個元素通過串口1發(fā)送并開中斷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嵌入版是用來組態(tài)“昆侖通態(tài)”觸摸屏的軟件，軟件使用免費，軟件自帶模擬器，因此可以利用模擬器來模擬觸摸屏的運行。沒有學過的同學，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開始，而是從0x0001開始，存在一個偏移量，如下圖所示。