STM32單片機仿真開發(fā)實例 課件 第6篇 綜合篇

6.1工業(yè)計數(shù)器的設(shè)計能力目標(biāo)：

認知工業(yè)自動化產(chǎn)品中的工業(yè)計數(shù)器，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：繪制工業(yè)計數(shù)器的仿真電路，并完成STM32單片機程序的設(shè)計，要求實現(xiàn)如下功能：（1）采用5位計數(shù)，即計數(shù)范圍為0~99999；（2）具備計數(shù)暫停/運行功能，通過按鈕實現(xiàn)；（3）具備計數(shù)清零功能，通過按鈕實現(xiàn)。6.1.1工業(yè)計數(shù)器簡介

在工廠流水線上，經(jīng)常需要對產(chǎn)品個數(shù)進行計數(shù)，這就需要用到計數(shù)裝置，通常實現(xiàn)的方法有兩種：

①利用PLC（ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器）進行計數(shù)；

②利用獨立的計數(shù)模塊進行計數(shù)。（?）無論是采用PLC計數(shù)，還是采用獨立的計數(shù)模塊進行計數(shù)，都需要用到檢測傳感器。檢測傳感器種類很多，比如下圖所示是一種工作電壓為5V的三線式光電開關(guān)。

仿真的時候，可以用一個按鈕或者開關(guān)來模擬光電開關(guān)。6.1.2仿真電路的繪制①6位共陽極數(shù)碼管：★最高位用于顯示計數(shù)器工作狀態(tài)（暫停顯示“P.”/計數(shù)無顯示）；★其余5位用于顯示當(dāng)前計數(shù)值。②左側(cè)從上到下三個按鈕:★第一個按鈕用于模擬光電開關(guān)的輸入；★第二個按鈕用于切換工作狀態(tài)；★第三個按鈕用于清零計數(shù)值。6.1.3任務(wù)程序的編寫（現(xiàn)場操作演示…）Tobecontinued...6.2時間繼電器的設(shè)計能力目標(biāo)：

認知工業(yè)自動化產(chǎn)品中的時間繼電器，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：

繪制時間繼電器的仿真電路，并完成STM32單片機程序的設(shè)計，要求實現(xiàn)如下功能：（1）通電延時型時間繼電器，輸入開關(guān)量閉合后開始自動計時，計時完成后輸出常開觸點閉合、常閉觸點斷開，輸入開關(guān)量斷開后模塊恢復(fù)原狀；（2）計時范圍0.01秒~99小時59分；（3）計時設(shè)定值與當(dāng)前值均能顯示；（4）計時設(shè)定值通過按鈕輸入設(shè)定。6.2.1時間繼電器簡介時間繼電器根據(jù)其工作原理，可以分為機械式和電子式兩種：電子式時間繼電器（如右圖），四位數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前計時時間，五位編碼開關(guān)用于設(shè)延時時長。編碼開關(guān)的第三位（即中間位）用于設(shè)定前兩位的延時單位，“H”表示小時，“M”表示分，“S”表示秒，其余四位則用于設(shè)定延時時長的數(shù)值，比如設(shè)定“12M34”，表示延時時長為12分34秒，比如設(shè)定“12S34”，表示延時時長為12.34秒，以此類推。6.2.2仿真電路的繪制

不妨在LCD1602第一行顯示設(shè)定參數(shù)，第二行顯示當(dāng)前計時數(shù)據(jù)。仿真電路左側(cè)從上往下共有1個開關(guān)和6個按鈕，按鈕功能見右圖，開關(guān)同時連接到STM32單片機的PB0和PB1兩個引腳，這么做的目的是為了能讓PB0和PB1分別檢測開關(guān)動作的下降沿和上升沿，下降沿表示線圈得電，上升沿表示線圈失電。PD2輸出控制三極管Q1通斷，從而控制繼電器RL1工作。6.2.3任務(wù)程序的編寫（現(xiàn)場操作演示…）Tobecontinued...6.3遠程I/O模塊的設(shè)計能力目標(biāo)：

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(fù)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。“讀（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(xué)過的同學(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開始，而是從0x0001開始，存在一個偏移量，如下圖所示。

（2）“凌一”PLC模擬器“‘凌一’PLC模擬器”是浙江臺州凌創(chuàng)科技有限公司推出的一款免費的三菱FX3UPLC的模擬器軟件（若用于商業(yè)用途，需付費），公司官網(wǎng)鏈接：/Modbus初始化指令表程序如左圖所示（軟件自動生成），完整的梯形圖參考程序如右圖所示。（現(xiàn)場操作演示…）Tobecontinued...6.4數(shù)字式遠程溫度傳感器的設(shè)計能力目標(biāo)：

認知工業(yè)自動化產(chǎn)品中的數(shù)字式遠程溫度傳感器，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：

繪制數(shù)字式遠程溫度傳感器的仿真電路，并完成STM32單片機程序的設(shè)計，要求實現(xiàn)如下功能：（1）能檢測0~40℃之間的溫度變化，分辨率1℃；（2）具備串口通信功能，支持Modbus_RTU通信協(xié)議。6.4.1遠程溫度傳感器簡介顧名思義，遠程溫度傳感器就是具備遠程數(shù)據(jù)傳送能力的溫度傳感器。

本次任務(wù)，我們將設(shè)計一款利用熱敏電阻與ADC檢測溫度，并利用RS-485網(wǎng)絡(luò)傳送溫度值的遠程溫度傳感器。6.4.2熱敏電阻

熱敏電阻，顧名思義是一種對溫度敏感的特殊電阻元件，分為如下兩類：

①

PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正溫度系數(shù)）電阻②NTC（NegativeTemperatureCoefficient，負溫度系數(shù)）電阻PTC特征曲線NTC特征曲線（

）

（?）NTC電阻的溫度和阻值之間的計算關(guān)系為：式中：

t——隨機溫度值（單位℃）；

Rt——與溫度t對應(yīng)的阻值（單位Ω）；

(t0,R0)——曲線上t0=25℃時的電阻阻值；

B——熱敏指數(shù)。

溫度轉(zhuǎn)換算法：

可由以下三步進行推算：

（由D計算Ut）

（由Ut計算Rt）

（由Rt計算t）

實際上STM32的CPU沒有這么強的計算能力，最后一步的對數(shù)運算必須借助于“泰勒級數(shù)”展開計算，運算效率太低，必須借助于“①查表法”+“②分段線性化”。

①查表法

由以下計算式，推算若干特征點數(shù)值②分段線性化

利用“分段線性化”來減輕CPU的計算負擔(dān)，但誤差不可避免。

t-Rt關(guān)系Rt

-D關(guān)系t-D關(guān)系6.4.3DMA與ADC

DMA（DirectMemoryAccess，直接存儲器訪問）技術(shù)的作用在于提供外設(shè)與存儲器或者存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳遞，這一過程不經(jīng)過CPU干預(yù)。DMA支持的外設(shè)包括通用和高級定時器、ADC、SPI、I2C和USART，等等。

以ADC為例，比較阻塞方式、中斷方式、DMA方式三者間的區(qū)別：

顯然，DMA方式效率最高，ADC的轉(zhuǎn)換和存儲過程完全不需要CPU干預(yù)，程序?qū)τ贏DC轉(zhuǎn)換的結(jié)果隨用隨取。工作方式阻塞方式中斷方式DMA方式CPU占用時間從開始轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換完畢，全程占用CPU轉(zhuǎn)換過程不占用CPU，直到轉(zhuǎn)換完畢才請求CPU處理轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換過程不占用CPU，轉(zhuǎn)換結(jié)果自動存入指定內(nèi)存片段，全程不占用CPU6.4.4Modbus_RTU通信協(xié)議補充

本次任務(wù)將要用到的功能碼是“讀（多個）寄存器”?！白x寄存器”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，即第一個寄存器的地址，地址范圍為0x0000~0xFFFF；

◆寄存器數(shù)量，由2個字節(jié)構(gòu)成，即從第一個寄存器開始連續(xù)若干個寄存器，，范圍1~2000；◆校驗碼，由2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，即寄存器數(shù)值占用的字節(jié)個數(shù)（N），注意寄存器長度是2個字節(jié)；

◆寄存器數(shù)值，由N個字節(jié)構(gòu)成，是寄存器數(shù)量的2倍。主站命令：地址域功能碼0x03起始地址H起始地址L寄存器數(shù)量H寄存器數(shù)量L校驗碼H校驗碼L從站響應(yīng)：地址域功能碼0x03字節(jié)數(shù)寄存器數(shù)值（N個字節(jié)）校驗碼H校驗碼L

下面是“讀寄存器”108~110（Hex:006BH~006DH）的實例：

其中：

最后獲取的寄存器108~110的值分別是：022BH、0、0064H。注意，這里不是從006CH~006EH6.4.5仿真電路的繪制6.4.6任務(wù)程序的編寫首先確立ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與溫度值之間的關(guān)系，由仿真電路可知NTC電阻阻值Rt與ADC讀取數(shù)字量D之間的關(guān)系：式中，Dmax為數(shù)字量最大值，當(dāng)ADC設(shè)定為右對齊時，Dmax取0FFFH，當(dāng)ADC設(shè)定為左對齊時，Dmax取FFF0H。電路元器件參數(shù)取值如右圖所示。

借助于Excel建立t-Rt計算關(guān)系及Rt-D計算關(guān)系，最終得到t-D計算關(guān)系，如圖。

計算得到