林填達(dá) ，張泉宏，曾 敏，胡小芳

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2.廣東志高暖通設(shè)備股份有限公司，佛山 528244）

風(fēng)機(jī)軸套自動(dòng)涂膠機(jī)是一種基于機(jī)電一體化技術(shù)開發(fā)的新型風(fēng)機(jī)軸套涂膠自動(dòng)化設(shè)備。風(fēng)機(jī)軸套自動(dòng)涂膠機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)自動(dòng)涂膠系統(tǒng)工作時(shí)，觸摸屏作為人機(jī)界面，為系統(tǒng)正常工作提供所需的參數(shù)，同時(shí)監(jiān)控、顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)則產(chǎn)生報(bào)警。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)觸摸屏所提供的設(shè)定參數(shù)控制工作平臺(tái)、進(jìn)料系統(tǒng)、零件傳送系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)感應(yīng)開關(guān)、各個(gè)按鈕的狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制三色燈的顯示狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)軸套的精確、快速涂膠?？梢哉f，在風(fēng)機(jī)軸套自動(dòng)涂膠機(jī)系統(tǒng)中，人機(jī)界面的作用是無可替代的。該部分選用了支持Modbus協(xié)議的步科ET070型觸摸屏為人機(jī)界面，以STM32單片機(jī)為核心，并于2014年在江門市森柏實(shí)業(yè)有限公司投入使用。經(jīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)使用驗(yàn)證，該部分性能穩(wěn)定，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

圖1 風(fēng)機(jī)軸套自動(dòng)涂膠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of automatic glue system for shaft sleeve of fan

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 ET070型觸摸屏介紹

ET070型觸摸屏具有65536色的 （2.54×7）cm，分辨率為（800×480）TFT 液晶屏，采用 400 MHz高速CPU，具有強(qiáng)大的圖形顯示功能和數(shù)據(jù)處理功能，支持RS-485和RS-232兩種通訊接口。配套的組件軟件Kinco HMIware功能強(qiáng)大，用戶可以以較快的速度掌握其使用方法，創(chuàng)建出直觀的畫面，完成數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)控狀態(tài)、報(bào)警功能等畫面的設(shè)計(jì)。在本文中，觸摸屏使用RS-232與單片機(jī)進(jìn)行通訊，觸摸屏參數(shù)設(shè)置如下：PLC類型設(shè)為Modbus RTU，通訊類型選擇RS-232，波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶檢測(cè)和停止位根據(jù)單片機(jī)的串口通訊配置來設(shè)置。

1.2 STM32F103單片機(jī)

STM32系列單片機(jī)內(nèi)核采用超低功率的ARM Cortex-M3處理器，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)集成了豐富出眾的外設(shè)系統(tǒng)，具有集成度高和開發(fā)便捷的優(yōu)勢(shì)。STM32F103最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置有256 K的Flash和48 K的SRAM，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該部分的硬件結(jié)構(gòu)主要由STM32單片機(jī)、步科ET070型觸摸屏以及電平轉(zhuǎn)換電路組成。觸摸屏作為上位機(jī)，通過串口向單片機(jī)發(fā)送查詢消息幀，并且接收STM32發(fā)送回來的消息回應(yīng)幀。下位機(jī)STM32接收到查詢消息幀后，對(duì)其進(jìn)行解析、執(zhí)行和回應(yīng)。MAX3232芯片則實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。將STM32的PA9和PA10分別設(shè)為串口通訊的輸入輸出口。如圖2所示為系統(tǒng)通訊的連接圖。

圖2 系統(tǒng)通訊連接圖Fig.2 Communication circuit diagram of system

2 Modbus通訊協(xié)議

Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種通訊協(xié)議，采用主從問答方式進(jìn)行工作，允許1個(gè)主機(jī)與1個(gè)或者多個(gè)從機(jī)通訊，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制行業(yè)中，已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。控制器相互之間可以利用此協(xié)議進(jìn)行通訊，連成工業(yè)網(wǎng)路[2-4]。

Modbus協(xié)議有2種傳輸方式：ASCII和 RTU。對(duì)于ASCII模式，一個(gè)8位字節(jié)分為2個(gè)ASCII字符傳輸；而采用RTU模式，一個(gè)8位字節(jié)則利用2個(gè)4位16進(jìn)制字符傳輸?？梢钥闯?，相對(duì)于ASCII模式，RTU模式表達(dá)同樣的信息需要的位數(shù)較少，在同樣的傳輸速率下能獲取更多的信息，可以提高通訊的效率[5]。本文采用RTU傳輸模式，RTU模式的消息幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 Modbus RTU消息幀結(jié)構(gòu)Tab.1 Frame format of Modbus RTU

使用RTU模式，2個(gè)消息幀之間至少要相隔3.5個(gè)字符時(shí)間。消息幀在傳輸?shù)倪^程中必須作為一段連續(xù)的數(shù)據(jù)流。若消息幀內(nèi)2字節(jié)之間的時(shí)間間隔超過1.5個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間，則可認(rèn)為消息幀是不完整的[6]。

3 通信程序的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是由觸摸屏與STM32單片機(jī)組成的。因步科ET070型觸摸屏本身支持Modbus協(xié)議，那么只要STM32單片機(jī)也支持Modbus協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)之間的通訊了。

根據(jù)通訊的流程和功能，可將單片機(jī)的通信程序分為3個(gè)模塊，分別為初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。初始化模塊用于設(shè)定通訊波特率、串口接收以及定時(shí)器等方面。數(shù)據(jù)接收模塊主要由串口中斷服務(wù)函數(shù)和定時(shí)器計(jì)時(shí)函數(shù)組成。定時(shí)器計(jì)時(shí)函數(shù)主要用于計(jì)算STM32接收2個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔usart_ms，可用來判斷這2個(gè)字節(jié)是否屬于一個(gè)消息幀。而串口中斷服務(wù)函數(shù)用于接收主機(jī)發(fā)送過來的信息。若從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送過來的信息，則進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)，判斷接收到的字節(jié)與之前接收到的字節(jié)是否屬于同一個(gè)信息幀。若是，則將接收到的信息賦給Recive_Buf［Count］，并令定時(shí)器的計(jì)數(shù)值 usart_ms 歸零，定時(shí)器重新計(jì)數(shù)。另外，若接收到的字節(jié)為新的消息幀的第一個(gè)字節(jié)，此時(shí)count為0，同樣把信息賦給 Recive_Buf［Count］，并令定時(shí)器重新計(jì)數(shù)。 其程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收模塊流程圖Fig.3 Data receiving module flow chart

數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要功能為解析主機(jī)發(fā)送過來的消息幀，進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)以及生成從機(jī)的回應(yīng)消息幀。若接收到主機(jī)發(fā)送過來的信息，先判斷這些信息是否處于同一個(gè)消息幀。若是，則進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并根據(jù)主機(jī)發(fā)送過來的信息，生成相應(yīng)的回應(yīng)消息，并將其通過串口發(fā)送給主機(jī)。其具體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊流程圖Fig.4 Data processing and transmission module flow chart

通訊程序的整體流程如下：觸摸屏若對(duì)STM32單片機(jī)發(fā)送查詢信息，單片機(jī)接收到每個(gè)字節(jié)時(shí)，都將進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)。接收查詢信息幀的第一個(gè)字節(jié)時(shí)，usart_flag應(yīng)為flase，表明之前的消息已經(jīng)處理完畢，usart_ms應(yīng)大于max_ms。max_ms的值應(yīng)大于3.5個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間，根據(jù)波特率可以算出這個(gè)值。若接收到的字節(jié)不是消息幀的第一個(gè)字節(jié)，則有usart_ms小于max_ms，usart_flag的值應(yīng)為true，表明有數(shù)據(jù)需要處理。將usart_ms置為0，重新計(jì)算下一個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間。接收到的消息將存儲(chǔ)在數(shù)組Receive_Buf[Count]中，Count表示接收到的字節(jié)個(gè)數(shù)。若觸摸屏的查詢信息幀發(fā)送完畢，那么當(dāng)usart_ms大于max_ms時(shí)，STM32單片機(jī)將進(jìn)入數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊。usart_ms大于max_ms，usart_flag為true，說明查詢信息幀接收完畢，數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊調(diào)用CRC校驗(yàn)子程序，以此來判斷接收到信息幀的有效性。若CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則將usart_flag改為 flase，usart_ms與 count重新置為 0，為重新接收消息幀做準(zhǔn)備。若CRC校驗(yàn)正確，單片機(jī)則將解析消息幀，并根據(jù)消息幀中的功能碼，分別執(zhí)行主機(jī)的查詢命令。常見的功能碼如表2所示。單片機(jī)生成回應(yīng)消息幀后，通過串口將其發(fā)送給觸摸屏，作為回應(yīng)。發(fā)送完畢后，數(shù)據(jù)處理及發(fā)送模塊將把usart_flag改為 flase，usart_ms與 count置為0，為接收觸摸屏的下一個(gè)查詢消息幀做準(zhǔn)備。在數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊工作時(shí)，數(shù)據(jù)接收模塊不工作。主機(jī)沒有得到從機(jī)的正確回應(yīng)時(shí)，將會(huì)再次發(fā)送查詢消息幀，因而不影響系統(tǒng)的正常工作。

表2 Modbus協(xié)議常用功能碼Tab.2 General function code of Modbus

4 測(cè)試結(jié)果

以功能碼01為例來說明觸摸屏與單片機(jī)實(shí)際通訊數(shù)據(jù)格式。假定STM32單片機(jī)的地址編號(hào)為01，如果觸摸屏需要讀取0x1這個(gè)bit的狀態(tài)，發(fā)送命令如表3所示。圖5為觸摸屏發(fā)送查詢消息幀的波形。

表3 觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.3 Data touch-screen sending

圖5 觸摸屏發(fā)送消息幀波形圖Fig.5 Waveform of the message frame touch-screen sending

表4為0x1為0和1時(shí)，STM32回應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，圖6為STM32回應(yīng)消息幀的波形圖。

表4 STM32回應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.4 Data STM32 responding

圖6 STM32回應(yīng)消息幀波形圖Fig.6 Waveform of message frame STM32 responding

經(jīng)過測(cè)試，觸摸屏能夠正確顯示0x1這個(gè)bit的狀態(tài)，觸摸屏與STM32單片機(jī)能夠正確通訊。

5 結(jié)語

通訊系統(tǒng)主機(jī)采用了步科ET070型觸摸屏，從機(jī)采用了STM32單片機(jī)，通過Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與STM32單片機(jī)的通訊，數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，電路連接簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于風(fēng)機(jī)軸套自動(dòng)涂膠機(jī)，能夠經(jīng)受實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的考驗(yàn)。

[1]溫建明，魯五一，袁慶國.基于MODBUS協(xié)議的觸摸屏與單片機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（7）：39-42.

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