基于单片机的MODBUS通讯器设计 毕业论文.doc

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1、 毕毕 业业 设设 计计 题 目： 基于单片机的 MODBUS 通讯器设计 学院： 电气信息学院 专业： 电子信息工程 班级： 0902 学号： 38 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2013 年 05 月 31 日 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计是在老师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕 业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果， 也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计中的所有内容均真实、 可信。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书毕业

2、设计（论文）任务书 题目： 基于单片机的 MODBUS 通讯器设计 姓名 刘绍辉 系 电气信息学院 专业 电子信息工程 班级 0902 学号 200901030238 指导老师 旷永红 职称 讲师 教研室主 任 刘望军 一、 基本任务及要求： 1、查找资料，熟悉单片机的基本结构及功能，熟悉利用 52 单片机进行通 讯 器的硬件设计。 2、掌握 C51 语言，并完成 MODBUS 通讯程序的编写 3、利用 Altium designer 软件画原理图及 PCB。 4、购买元器件并焊接，制作通讯器。 5、通信器软硬件调试。 二、 进度安排及完成时间： （1）第一周至第三周：查阅资料、撰写文献综述和

3、开题报告 ； （2）第四周至第五周：利用 Altium designer 软件画原理图及 PCB； （3）第六周至第十一周；编写代码并完成调试工作； （4）第十二周至第十三周：撰写设计说明书； （5）第十四周：毕业设计答辩； 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 概述1 1.2 目的与意义2 1.3 发展现状和前景展望 3 1.4 研究的主要内容和步骤 4 1.4.1 主要内容.4 1.4.2 设计的步骤.4 第第 2 章章 系统设计方案系统设计方案6 2.1 设计方案选择.6 2.2 芯片选择6 2.3 软件方案设计7 第第 3 章章 硬件电

4、路设计硬件电路设计9 3.1 主机 CPU 模块 9 3.2 电源模块10 3.3 液晶显示模块10 3.4 存储模块12 3.5 程序调试下载模块12 3.6 串口通讯模块13 3.7 从机主控模块14 3.8 LED 灯显示模块15 3.9 温度检测模块15 第第 4 章章 软件设计软件设计.17 4.1 串口通信模块.17 4.2 数据帧处理模块.17 4.3 参数保存模块.19 4.4 液晶显示模块.20 第第 5 章章 系统调试系统调试.23 5.1 硬件调试.23 5.1.1 主机电路板调试.23 5.1.2 从机电路板调试.24 5.2 软件件调试.24 5.2.1 调试平台24

5、 5.2.2 调试问题25 5.3 调试结果.26 参考文献参考文献28 致致 谢谢29 附录附录 1 主机硬件原理图主机硬件原理图.30 附录附录 2 从机硬件原理图从机硬件原理图.31 附录附录 3 主机主机 PCB 实物图实物图 32 附录附录 4 从机从机 PCB 实物图实物图 33 附录附录 5 主机通讯程序代码主机通讯程序代码.34 附录附录 6 从机通讯程序代码从机通讯程序代码.38 I 基于单片机的基于单片机的 MODBUSMODBUS 通讯器的设计通讯器的设计 摘摘 要要:随着现场总线在工业应用中的越来越广泛，越来越普及，Modbus 作 为其中的一种简单协议也受到不少的欢迎

6、。本论文根据 Modbus 协议中 RTU 模 式实现读寄存器、写单个寄存器、写多个寄存器等多个功能。本系统从机以 STC12C5A60S2 为基本平台，利用 RS232 串口实现与上位机通讯，用单片机的内 部 RAM 寄存器模拟协议中的寄存器，根据寄存器的值调节单片机 PWM 输出， 改变 LED 灯的亮度，单片机读取实时温度。本系统上位机以 STM32F103RBT6 为 平台，通过 4.3 寸 TFT 触摸屏实现查询从机、设置从机参数等功能，实时显示 从机的通讯状态、寄存器的值、温度测量值。另外本系统还具有掉电保存、温 度报警功能。 关键词关键词: Modbus、LED、寄存器、RS23

7、2、STC12C5A60S2、温度报警、 STM32F103 II The design of MODBUS communicator based on MCU Abstract : With the fieldbus using in the industrial application widely and popularly, modbus is more welcomed as one of its simple agreement. According to the RTU schema of modbus in modbus agreement, the paper mainly

8、achieves the function of reading register, writing single register and multiple registers etc. The slave of system uses the STC12C5A60S2 as the basic platform and RS232 to realize the communication with the Host computer. The system will use the register of internal ram in mcu to simulate the regist

9、er in agreement , and according to the value of register it can adjust the mcu output of PWM, change the brightness of LED, and acquire the real time temperature. The Host computer of system uses STM32F103RBT6 as platform, by the 4.3 inches touching screen, it will realize the function of querying s

10、lave ,setting parameter of the slave, displaying the communication status of slave and the value of register and temperature measured. Besides, the system also has preservation of power down and temperature alarm functions. Keywords: Modbus、LED、Register、RS232、STC12C5A60S2、Temperature Alarm、STM32F103

11、 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 概述概述 Modbus 是由 Modicon 在 1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线 协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已 将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA 组织，并成立了 Modbus-IDA 组织，为 Modbus 今 后的发展奠定了基础。 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之 间、控制器经由网络和其它设备之间通讯。它已经成为一种通用工业标准。有了它， 不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制

12、器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了控制器 请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。 它制定了消息域格局和内容的公共格式。 当在 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址， 识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信 息并用 Modbus 协议发出。 Modbus 具有以下几个特点： 1、标准、开放，用户可以免费、放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可证费， 也不会侵犯知识产权。目前，支持 Modbus 的厂家超过 400 家，支持 Modbus 的产品超

13、 过 600 种。 2、Modbus 可以支持多种电气接口，如 RS-232、RS-485 等，还可以在各种介质上 传送，如双绞线、光纤、无线等。 3、Modbus 的帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。 在大多数工厂里，现场仪表采用单独的控制室直连对绞线电缆连接到控制系统。 当仪表设备被连接到一种分散式 I/O 系统的时候，可以增加更多的现场设备，但是仅 仅需要一根对绞线电缆就可以把所有数据传送到 MODBUS 主站。以 MODBUS 网络的 方式组网连接的时候，把现场设备连接到一个过程控制系统、PLC 或是工业计算机系 统，整个工厂的连接都能够从对绞线电缆控制室直连的方

14、式转变成为 MODBUS 连接方 式。 到目前为止，我们仅仅涉及到了简单的 MODBUS 数据采集系统。还有一种方案也 2 是可能的，那就是把控制设备安装在现场，然后通过 MODBUS 使其与中央控制系统进 行通讯。它也可以被编程用来执行控制功能，例如 PID 控制、ON/OFF 控制、现场报 警、诊断以及报警监视等。 另一种“智能化”并且具有控制能力的 MODBUS 设备是来自于 Moore Industries 公 司的 MDS 方程站。这是一种多功能控制器，它能够执行很多种类型的控制功能和运算。 有了 MDS 方程站，在实现简单控制任务、多变量控制任务（例如监视和控制一个蒸煮 器里的纸浆

15、液位或者使用来自多个流量、温度和压力变送器的输入信号实现质量流量 计算）时就不再需要 PLC 或者大型控制器了。最多可以有 127 个 MDS 模件被安装在 一个 MODBUS 网络上面来实现对工厂的控制或是采集整个工厂的信号。 PID（比例、积分和微分）控制器最初都是单机独立运行的无通讯控制器。由于 PLC 和 DCS 都已经智能化，因此现在 PID 控制器也智能化了。今天，许多终端用户依 然青睐那些直接读出和编程简单的单回路控制器。诸如 MODBUS 等数字化通讯协议能 够给这些一直单机运行的仪表注入一些新的活力。通过对这些控制器进行多分支网络 连接，可以创造一个自己的小型分散控制系统。

16、现代的控制领域持续不断的产生和应用诸如现场总线和网状网络等先进概念， MODBUS 的简单性以及它的便于在许多通讯媒介上实施应用的特点一直使它受到最广 泛的支持，并且成为全球应用最广泛的工业协议。当使用现有老式控制系统的用户发 现自己需要扩充现场仪表或者增加远程控制器的时候，他们都会采用 MODBUS 作为一 个能够解决复杂问题的简单解决方案。用户试图把一个外来设备连接到控制系统里面， 使用这个设备的 MODBUS 接口被证明是最为容易的办法。虽然 MODBUS 已经是最为 古老的通讯方法之一，由于非常多的原因它也是最普及的通讯方法。MODBUS 便于使 用、非常可靠、价格低廉并且可以连接到控

17、制工业领域几乎所有的传感器和控制设备。 MODBUS 广泛的应用于程序自动化、工业自动化、智能建筑、 输配电通讯 协议、智能电表、车用通讯。 1.2 目的与意义目的与意义 在现代化工业控制中, 由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性, 以及控 制与监控等任务对实时性的要求, 不同设备之间现场交互性信息的传递越来越多。但传 统的工业控制系统软件存在着一些问题。不具备开放性，各个部分的联系过于紧密， 3 使系统过于复杂。这样使系统的更新、扩展和升级变得非常困难，对系统任何一部分 的修改都有可能对其它部分造成影响，从而导致大量且烦琐的软件和硬件的修改。传 统的工业控制软件开发中出现的另一个主要

18、问题是软件的重复开发，软件不能够复用， 资源不能共享，造成大量的人力与物力资源的浪费。虽然使用高级语言函数库让我们 可以利用面向对象的继承等方法大量重用源代码，但这些复用只是对源代码级的复用 而不是对可执行文件级的复用。 由于传统工业控制系统的带来的不便，造成形成了大量的“信息孤岛”，但是，对 于工业控制而言，各站点之间不是孤立的，它们必须互相配合、协调才能保证产品质 量和实现连续生产，这就需要各站点能互通讯息。另外，上级管理网也需要与子站交 互数据，以实现全局的监控和优化。然而，子站是采用不同开发平台、不同通讯协议 组成的结构系统，可能由不同的厂家和个体开发。要为每种协议写一个转换接口或驱

19、动是比较繁琐的，特别是在站点和协议较多的时候。因此，怎样有效集成数据，避免 信息孤岛的出现，是工业控制领域中常遇到难点问题之一。 比较好的方法是各站点都采用标准协议进行数据通讯，而不必为每一种协议开发 一个通讯接口。目前这方面的协议比较多，MODBUS 就是其中的一种。MODBUS 是 一种全开放, 免费提供,非常容易理解和实施的协议, 从 70 年代诞生以来,在制造业、电 力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施的工业领域中的数据采集和过程控制得到了 广泛应用, 形成了一种事实上的工业标准。同时， 随着单片机技术的迅速发展, 单片 机技术已逐步进入工业自动化领域, 单片机以体积小、质量轻、价格便

20、宜、应用方便等 优势。它允许 MODBUS 协议与单片机 232 接口结合, 在单片机串口中嵌入 MODBUS 信息帧, 成为 MODBUS/RTU 或 MODBUS/ASCII, 在工业自动化领域中, 具有很高的性 能价格比, 是一种真正开放的理想解决方案。 1.3 发展现状和前景展望发展现状和前景展望 目前在全球范围内已经安装了 MODBUS 串行设备，基于 MODBUS 和单片机技术 的“透明就绪”的广泛应用可以被归类到三大市场：能源与基础设施，工业，以及建筑 行业。 在能源与基础设施市场，机场、隧道、数字通讯、电信、水处理、油气、能 源等行业大大得益于“透明就绪”的远程控制能力 。 4

21、 在工业市场，食品与饮料、微电子、制药、汽车等行业则高度的受益于“透明 就绪”中从 IT 系统贯通到车间层单片机的统一全局网络架构。 在建筑市场，医疗机构、公用建筑、民用住宅、船舶等行业在“透明就绪”中 使用他们原有的单片机 232 网络，从而大大的降低了实施费用。 1.4 研究的主要内容和步骤研究的主要内容和步骤 1.4.1 主要内容主要内容 1、查找资料，熟悉单片机的基本结构及功能，熟悉利用 STC12C5A60S2、STM32F103VET6 单片机进行通讯器的硬件设计。 2、掌握 C51 语言，并完成 MODBUS 通讯程序的编写。 3、构建各个模块功能，利用 Altium desig

22、ner 软件画原理图及 PCB。 4、购买元器件并焊接，制作通讯器。 5、搭建测试平台，通讯器软硬件调试。 1.4.2 设计的步骤设计的步骤 本次设计的课题是基于单片机的 MODBUS 通讯器的设计，主要的研究方法步骤如 下： 1、对整个 MODBUS 通讯协议的构成、要求、应用等进行大概的了解，明确课题 的定位和所要解决的问题。 2、对单片机控制的理论以及涉及到的相关知识进行系统的学习，例如：如何建立 单片机 232 通讯，如何利用电脑对单片机编程，常用的编译软件，以及通讯所要达到 的效果等等。 3、选择单片机型号，经过对常用编译软件的相关了解，对单片机性能及控制方法 做简单测试。经过之前的

23、理论学习和了解，以及参考大量文献总结前人经验，初步选 型方案选定如下：选用 STM32F103VET6 做主控单片机，4.3 寸 TFT 彩屏做界面显示， 从机采用 STC12C5A60S2 做控制，主控单片机发送 MODBUS 命令给三个从机，从机 根据命令执行相应操作，同时从机将采集到的数据保存到单片机 RAM 单元中供主机查 询。 4、根据选定的单片机型号画出对应的最小系统以及各个功能模块电路图，画出 5 PCB 板，搭建硬件调试环境。 5、软件调试，首先利用电脑做 MODBUS 主机，分别调试主机控制板和从机控制 板，确保软硬件完美结合。 6、综合调试，主机控制板与从机控制板进行 MO

24、DBUS 通讯，分别控制各个功能 块。对设计的结果进行分析和总结。 6 第第 2 章章 系统设计方案系统设计方案 2.1 设计方案设计方案选择选择 方案一：采用电脑当主机，从机利用单片机与电脑通过 RS232 通讯，电脑发送 MODBUS 命令查询从机数据，从机接收命令返回相应数据，电脑工控软件刷新从机数 据，从而实现 MODBUS 通讯器功能。 方案二：单片机做主机，利用显示屏作为数据显示界面，主机单片机发送 MODBUS 命令给从机，从机返回数据给主机单片机，主机控制液晶屏刷新从机数据， 实现 MODBUS 通讯器功能。 方案一连接简单，操作方便，只需开发从机模块与电脑通讯，只需编写从机

25、MODBUS 通讯协议代码。方案二利用液晶屏代替电脑显示器界面，单片机做主机，同 时开发主机与从机，需要编写主机和从机 MODBUS 通讯协议，难度偏大。权衡考虑后， 方案二实用性更强，所以本系统采用方案二设计。 2.2 芯片选择芯片选择 由于主机液晶显示采用 4.3 寸 TFT 触摸屏，对主机 CPU 控制器要求较高，故主机 主控芯片采用 STM32 系列的 STM32F103RBT6 芯片。 从机主控芯片则有两种选择： 1、STM 系列的 STM8S105K4，此芯片编程简单，单片机价格便宜，与传统 51 单 片机编程方法兼容，内部资源丰富，下载程序简单，可在线调试，但需特定下 载器，而且

26、下载器价格昂贵。 2、STC 系列的 STC12C5A60S2，此芯片编程简单，价格便宜，与传统 51 单片机 编程方法兼容，内部资源丰富，下载程序只需 RS232 接口即可将程序下载到单 片机，经济实惠。 根据比较，本系统从机主控芯片采用 STC12C5A60S2，利用串口通讯芯片 MAX3232 与上位机连接，系统硬件结构框图如图 2.1 所示。 主机 从机1从机2从机3 RXD GND TXD RXDRXDRXDTXDTXDTXDGNDGNDGND 7 图 2.1 系统硬件结构框图 2.3 软件方案设计软件方案设计 本系统主机基于 STM32 单片机平台，从机基于 STC 单片机平台，利

27、用其中的 RS232，主机发送 MODBUS 命令查询从机数据，主机根据触摸屏定义的功能，下置数 据到从机寄存器，改变从机寄存器模拟量的值，然后根据 Modbus 总线协议编写相应的 程序完成其功能，另外再利用 DS18b20 测量温度，通过 Modbus 实现温度报警等功能， 然后利用 4.3 寸 TFT 触摸屏实时显示通讯状态、LED 灯的状态、实时温度值。图 2.2 为软件的总体流程图。 开始 系统初 始化 主机发送 查询命令 从机接收命 令匹配地址 地址匹配的从 机返回数据 液晶屏刷新对 应从机数据 图 2.2 软件总体流程图。 8 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 主

28、机主机 CPU 模块模块 主机 CPU 模块采用 STM32 系列的 CortexM3 处理器 STM32F103VET6，STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和 STM32F101“基本型” 系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟 频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 16 位产品 用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量 和外

29、设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。 STM32F103VET6 外围电路设计简单，芯片最小系统电路如图 3.1 所示。 9 PE2 1 PE3 2 PE4 3 PE5 4 PE6 5 VBAT 6 PC13-TAMPER-RTC 7 PC14-OSC32_IN 8 PC15-OSC_OUT 9 VSS_5 10 VDD_5 11 OSC_IN 12 OS_OUT 13 NRST 14 PC0 15 PC1 16 PC2 17 PC3 18 VSSA 19 VREF- 20 VREF+

30、 21 VDDA 22 PA0-WKUP 23 PA1 24 PA2 25 PA3 26 VSS_4 27 VDD_4 28 PA4 29 PA5 30 PA6 31 PA7 32 PC4 33 PC5 34 PB0 35 PB1 36 PB2 37 PE7 38 PE8 39 PE9 40 PE10 41 PE11 42 PE12 43 PE13 44 PE14 45 PE15 46 PB10 47 PB11 48 VSS_1 49 VDD_1 50 PB12 51 PB13 52 PB14 53 PB15 54 PD8 55 PD9 56 PD10 57 PD11 58 PD12 59 P

31、D13 60 PD14 61 PD15 62 PC6 63 PC7 64 PC8 65 PC9 66 PA8 67 PA9 68 PA10 69 PA11 70 PA12 71 PA13 72 NC 73 VSS_2 74 VDD_2 75 PA14 76 PA15 77 PC10 78 PC11 79 PC12 80 PD0 81 PD1 82 PD2 83 PD3 84 PD4 85 PD5 86 PD6 87 PD7 88 PB3 89 PB4 90 PB5 91 PB6 92 PB7 93 BOOT0 94 PB8 95 PB9 96 PE0 97 PE1 98 VSS_3 99 VD

32、D_3 100 U3STM32F103VE 12 Y1 32.768 12 Y2 8M 10pF C18 10pF C19 20pF C20 20pF C21 1M R3 GND GND GND GND OSC32_IN OSC32_OUT OSC_IN OSC_OUT OSC32_IN OSC32_OUT OSC_IN OSC_OUT VSSA VREF+ VREF- VDDA 3V3 3V3 3V3 3V3 3V3 GND GND GND GND GND 10K R4 GND 10K R5 GND 3V3 10K R6 100nF C22 3V3 GND RESET RESET JTCK

33、JTMS JTDI JTDO JNTRST PD14 PD15 PD0 PD1 PE7 PE8 PE9 PE10 PE11 PE12 PE13 PE14 PE15 PD8 PD9 PD10 PD4 PD5 PB12 PB13 PB14 PB15 PC7 PC8 PC9 PC10 PC11 PC12 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA15 PD2 PD3 PD6 PD7 PD11 PD12 PD13 PB0 PB1 PB2 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC

34、5 PC6 PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PC13 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 CS SPI2_MISO SPI2_MOSI SPI2_SCK SPI2_NSS WR RS RD BLACK-LIGHT INT BUSY F_CS SD_CS SPI1_MISO SPI1_MOSI SPI1_SCK SPI1_NSS U2TX U2RX U1RX U1TX LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED_LEFT LED_RIGHT WAKEUP KEY1 KEY2 KEY3 B

35、UZZER 、 如图 3.1 STM32F103VET6最小系统电路 3.2 电源模块电源模块 主机系统供电采用 Lm7805 稳压出 5V，供给 LT1117 输入，使得输出为 3.3V 主芯 片所需的电源，电源模块原理图如图 3.2 所示。 LT1117 三端可调或固定电压 3.3V 输出电流为 1A，线路调整率为 0.2%，负载调整 率为 0.4%，封装类型为 SOT-223。 三端稳压集成电路 lm7805。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 lm78 系 列和负电压输出的 lm79系列。三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚 输出，分别是输入端、接地端和输出端。 10

36、OUT 3 IN 1 GND 2 U1LM7805 IN 3 GND 1 OUT 2 U2LT1117 GNDGND 10uF C2 10uF C3 9-12V GNDGNDGNDGND 10uF C1 GND 3V3VCC 3V3 GND 10uF C13 10nF C14 10nF C15 100nF C16 10uF C17 10uH L1 10uH L2 10R R1 10R R2 GND 3V3VDDAVREF+VREF- VSSA D1 POWER 470R R14 3V3 GND GND 9-12V 、 1 2 3 P4 Header 3 100nF C4 100nF C5 10

37、0nF C6 100nF C7 100nF C8 100nF C9 100nF C10 100nF C11 100nF C12 图 3.2 电源模块电路图 3.3 液晶显示模块液晶显示模块 主机系统采用 4.3 寸 TFT 液晶显示屏做界面显示，4.3 寸彩色 TFTLCD 显示模块 的内置 LCD 控制器以及显存，对 4.3 寸模块进行操作时，实际上是对 LCD 控制器的控 制寄存器、显示数据存储器进行操作。 液晶显示模块及 CPU 引脚接口电路如图 3.5 所示。 4.3 寸模块内部有双图层显示功能，双图层显示的模块具有两个显示图层：一个背 景层，一个前景层。两个图层都具备 16 位真彩的

38、显示能力。 本系统直接采用 STM32 单片机驱动液晶屏，STM32 单片机内部带有静态存储器 控制器（FSMC），FSMC 模块能够与同步或异步存储器和 16 位 PC 存储器卡接口， 它的主要作用是： 1、将 AHB 总线传输信号转换到适当的外部设备协议 。 2、满足访问外部设备的时序要求 所有的外部存储器共享控制器输出的地址、数 据和控制信号，每个外部设备可以通过一个唯一的片选信号加以区分。 界面显示如图 3.3、3.4 所示。 11 图 3.3 开机界面 图 3.4 主界面 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526

39、2728 2930 3132 P1 PD14PD15 PD0PD1 PE7PE8 PE9PE10 PE11PE12 PE13PE14 PE15PD8 PD9PD10 3V3 GND PD4PD5 PB14 PB15 PB13 PB12 RESET PD7PD11 PD13 PC9 PC10 PC11 PC12 D0D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 CSRS RD BLACK-LIGHT INT BUSY F_CS SD_CS WR SPI2_MISO SPI2_MOSI SPI2_SCK SPI2_NSS 12 34 56 7

40、8 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 P3 Header 12X2H PA15 PD2 PD3 PD6 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PE0 PE1 PC2 PC3 PB0 PB1 PB2 PB10 PB11 PD11 PD12 PD13 PA8 PA11 TFT、 GND 图 3.5 TFT 液晶及 CPU 引脚接口 3.4 存储模块存储模块 由于主机采用 4.3 寸 TFT 触摸屏作为界面显示，像素点为 480*272，需要大量图片 数据信息，而主芯片内部 Flash 只有 512KB，最多只能存放两张图片，所以本系统采 用了外扩存储器

41、的方法存储图片数据。图片数据存入存储芯片的固定地址，多张图片 分地址放置，CPU 只需按地读取存储器内部数据送入 TFT 显示器，即可完成所有图片 显示，节约了 CPU 内部空间。 12 本系统存储模块采用 AT45DB161D 存储芯片，存储容量为 2M，足够存储大量图 片数据信息。模块电路图如图 3.6 所示，AT45DB161D 是一款 2.5V 或 2.7V，串行接口 的 FLASH 存储器，是各种数字语音，图像，程序代码和数据存储应用的理想选择。 AT45DB161D 支持 RapidS 串行接口，适用于要求高速操作的应用。RapidS 串行接口 兼容 SPI，最高频率可达 66MH

42、z。AT45DB161D 的存储容量为 17,301,504 位，组织形 式为 4,096 页，每页 512 或 528 页。 SI 1 SCK 2 RESET 3 CS 4 WP 5 VCC 6 GND 7 SO 8 U4 AT45DB161D 3V3 3V3 GND PA4 PA5 PA6PA7 SPI1_NSS SPI1_SCK SPI1_MOSISPI1_MISO 、 图 3.6 存储模块 3.5 程序调试下载模块程序调试下载模块 STM32 内部集成 JTAG 调试模块，JTAG(Joint Test Action Group；联合测试行动小 组)是一种国际标准测试协议（IEEE 1

43、149.1 兼容） ，主要用于芯片内部测试。现在多数 的高级器件都支持 JTAG 协议，如 DSP、FPGA 器件等。标准的 JTAG 接口是 4 线： TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 JTAG 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程再装到板上因此 而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用 JTAG 编程，从而大大加快工程 进度。JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程。 具有 JTAG 口的芯片都有如下 JTAG 引脚定义： TCK测试时钟输入； TDI测试数据输入，数据通过 TDI 输入 JTAG 口； TDO

44、测试数据输出，数据通过 TDO 从 JTAG 口输出； TMS测试模式选择，TMS 用来设置 JTAG 口处于某种特定的测试模式。 可选引脚 TRST测试复位，输入引脚，低电平有效。 含有 JTAG 口的芯片种类较多，如 CPU、DSP、CPLD 等。 JTAG 内部有一个状态机，称为 TAP 控制器。TAP 控制器的状态机通过 TCK 和 TMS 进行状态的改变，实现数据和指令的输入。 JTAG 标准定义了一个串行的移位寄存器。寄存器的每一个单元分配给 IC 芯片的 13 相应引脚，每一个独立的单元称为 BSC（Boundary-Scan Cell）边界扫描单元。这个串 联的 BSC 在 I

45、C 内部构成 JTAG 回路，所有的 BSR（Boundary-Scan Register）边界扫描 寄存器通过 JTAG 测试激活，平时这些引脚保持正常的 IC 功能。 JTAG 的系统板设计和连线关系如图 3.7 所示。 Vref 1 Vsupply 2 nTRST 3 GND 4 TDI 5 GND 6 TMS 7 GND 8 TCK 9 GND 10 TDO 11 GND 12 TDO 13 GND 14 nSRST 15 GND 16 DBGRQ 17 GND 18 DBGACK 19 GND 20 J1 JTAG 10K R11 10K R7 10K R8 10K R9 10K R

46、10 0R R13 0R R12 RESET VCC 3V3 GND JNTRST JTDI JTMS JTCK JTDO JTAG 图 3.7 JTAG 电路图 3.6 串口通讯模块串口通讯模块 串口通讯模块为整个设计的最重要的部分，本系统是基于串口 RS232 接口加入 MODBUS 通讯协议，此部分一旦不能工作本系统将变得毫无意义。通讯方式直接利用 串口通讯芯片 MAX3232，MAX3232 有双串口接口，串口 1 接口与从机相连，连接方 式采用 RJ45 网络通讯接口。串口 2 接口与 DB9 接口相连，可以与电脑 RS232 通讯， 便于调试。芯片外部电路图如图 3.8 所示。下面

47、简单介绍 MAX3232 芯片。 采用专有低压差发送器输出级，利用双电压在 3.0V 至 5.5V 电源供电时能够实现 真正的 RS-232 性能，器件仅需四个 0.1uF 的外部小尺寸电压电容。MAX3232 确保在 120kbps 数据速率，同时保持 RS-232 输出电平。MAX3232 具有二路接收器和二路驱动 器，提供 1uA 关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式 下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗 1uA 电源电流，MAX3232 的引脚、封装和功能分别与工业标准 MAX242 和 MAX232 兼容。即使工作在高数据速 率下，MAX323

48、2 仍然能保持 RS-232 标准要求的正负 5.0V 最小发送器输出电压。 只要输入电压在 3.0V 至 5.5V 范围以内，即可提供+5.5V（倍压电源）和 5.5V（反相电压）输出电压，电压工作在非连续模式，一旦输出电压低于 5.5V，将开 启电压；输出电压超过 5.5V，即可关闭电荷泵，每个电压需要一个电容器和一个储能 14 电容，产生 V+和 V-的电压。 MAX3232 在最差工作条件下能够保证 120kbps 的数据速率。通常情况下，能够工 作于 235kbps 数据速率。 C1+ 1 V+ 2 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 V- 6 T2out 7 R2in 8 R2ou

49、t 9 T2in 10 T1in 11 R1out 12 R1in 13 T1out 14 GND 15 VCC 16 U5 ST3232 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 J2 D Connector 93V3 GND 100nFC23 100nFC24 100nFC25 100nFC26 GND PA2 PA3 PA9 PA10 U1TX U1RX U2RX U2TXT2OUT T2OUT R2IN R2IN GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P2 Header 16H GND T1OUT R1IN R1IN T1OUT 470R R20 470R R21 3V3 3V3 LED_LEFT LED_RIGHT PC0 PC1 232、 图 3.8 串口通讯电路 3.7