第7章 低成本 Modbus 傳感器的實(shí)現(xiàn)

7.1 硬件資源介紹與接線(xiàn)

我們的 Modbus 傳感器開(kāi)發(fā)套件共有三個(gè)， 三個(gè)板子的使用的主控方案是 STM32F030芯片，硬件接口資源如下圖所示：

開(kāi)關(guān)量模塊

溫濕度變送器模塊

環(huán)境檢測(cè)模塊

7.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

在前面我們已經(jīng)安裝了 Keil MDK、STM32CubeMX、STM32CubeProgrammer、ST-Link 驅(qū) 動(dòng)、 CH340 驅(qū)動(dòng)。因此在這里我們只需給 Keil MDK 安裝 STM32F030 對(duì)應(yīng)的 PACK 即可對(duì)改 芯片進(jìn)行編碼開(kāi)發(fā)。

安裝 PACK 的方法有兩種：

• 第一種方法：雙擊運(yùn)行開(kāi)發(fā)板配套資料中的 Pack 安裝包，隨后彈出安裝界面，按照默 認(rèn)選項(xiàng)進(jìn)行安裝即可。：

• 第二種方法，在線(xiàn)安裝， 下面演示如何在線(xiàn)安裝。

打開(kāi)Keil之后， 點(diǎn)擊如下按鈕啟動(dòng)“Pack Installer”：

使用 “Pack Installer” 可 以 方 便 的 對(duì) Pack 安 裝 和 管 理 。 在 左 上 角 搜 索 框 輸 入 “STM32F030”，展開(kāi)搜索結(jié)果，可以看到STM32F030CC，點(diǎn)擊右邊的簡(jiǎn)介鏈接即可跳轉(zhuǎn) 到Pack下載頁(yè)面，如下圖所示。

如果跳轉(zhuǎn)網(wǎng)頁(yè)無(wú)法打開(kāi)，可直接打開(kāi) Pack 下載總?cè)肟冢╳ww.keil.com/dd2/Pack/）。 進(jìn)入 Pack 下載總?cè)肟诤螅阉鳌癝TM32F030”，找到“STM030CCT”點(diǎn)擊, 如下圖所示（實(shí) 測(cè)部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境打開(kāi)該鏈接無(wú) Pack 列表，請(qǐng)嘗試換個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試，仍舊不行則使用配 套資料 Pack）。

點(diǎn)擊會(huì)跳轉(zhuǎn)到 pack 包界面，點(diǎn)擊右上角的”STM32F0xxDFP“即可跳轉(zhuǎn)到 pack 包下載界面，點(diǎn)擊右上角”STM32F0xxDFP“處即可下載 pack 包，如下圖所示。

下載完成得到“Keil.STM32F0xx_DFP.2.1.1.pack”，直接雙擊該文件，隨后彈出安裝界 面，按照默認(rèn)選項(xiàng)進(jìn)行安裝即可。

7.3 創(chuàng)建與體驗(yàn)第 1 個(gè)工程

7.3.1 創(chuàng)建工程

啟動(dòng) STM32CubeMX 后，點(diǎn)擊如下圖標(biāo)開(kāi)始選擇 MCU：

如下圖輸入型號(hào)“STM32F030CCT”，雙擊找到的芯片， 開(kāi)始創(chuàng)建工程：

調(diào)高 CPU 頻率：

配置工程， 如下操作：

指定代碼生成方法， 如下：

7.3.2 配置調(diào)試器

新建的工程要配置調(diào)試器，參考《2.2.3 配置調(diào)試器》 。

然后就可以編譯程序、燒寫(xiě)運(yùn)行了。

7.3.3 配置 GPIO 操作 LED

打開(kāi)位于“5_硬件資料?1_開(kāi)發(fā)板原理圖STM32F030CCT6_SWITCH_V11.pdf”的原理圖 文件。

根據(jù)開(kāi)發(fā)板原理圖可以看到 F030的LED 引腳圖如下：

可以雙擊打開(kāi)工程中如下文件進(jìn)入STM32CubeMX進(jìn)行配置：

然后如下配置 PB11 、PB12 、PB13 為輸出引腳：

點(diǎn)擊右上角的 “GENERATE CODE”按鈕后打開(kāi)工程。

在main函數(shù)的循環(huán)里， 增加如下代碼：

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
    /* set LED output high */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET); //LED1
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET); //LED2
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); //LED3
    HAL_Delay(500);
    /* set LED output low */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET);//LED1
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET); //LED2
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); //LED3
    HAL_Delay(500);
}

最后編譯、燒寫(xiě)、運(yùn)行， 可以看到開(kāi)發(fā)板的 LED 閃爍。

7.4 UART 編程

7.4.1 使用 STM32CubeMX 進(jìn)行配置

本節(jié)源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼7-5_STM32F030串口編程demo”。 RS4385接口原理圖如下：

需要在STM32CubeMX里配置UART1，并且配置PA8為輸出引腳。

1.UART1

先使能 UART1：

然后使能中斷：

在前面STM32H5的UART程序里使用了DMA，本節(jié)故意不使用DMA而使用純中斷來(lái) 實(shí)現(xiàn)UART，多學(xué)一種編程方法。

2.配置 RS485方向引腳

STM32H5主控板上使用的RS485轉(zhuǎn)換芯片是MAX13487EESA，它會(huì)自動(dòng)切換發(fā)送、 接收方向，無(wú)需程序進(jìn)行方向的控制。使用STM32F030制作的“廉價(jià)傳感器”里，使用 的RS485轉(zhuǎn)換芯片是SIT3088ETK，它需要使用一個(gè)GPIO來(lái)控制方向，如下圖所示：

上圖中，RS485_CTRL使用的引腳是PA8，所以還需要把它配置為輸出引腳，輸出低 電平（讓SIT3088ETK默認(rèn)為接收狀態(tài)） 。如下配置：

7.4.2 封裝 UART

本節(jié)源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼7-5_STM32F030串口編程demo”。 現(xiàn)場(chǎng)編程。

7.4.3 上機(jī)實(shí)驗(yàn)

本節(jié)源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼7-6_STM32F030 串口測(cè)試”，里面有 2 個(gè)程序：h5_demo、f030_demo。

要測(cè)試 STM32F030 的串口， 只需要把它的 485 接口連接到 PC 去就可以了，但是我們沒(méi) 有 PC 上使用的“USB 轉(zhuǎn) 485”模塊，所以使用 STM32H5 來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)“USB 轉(zhuǎn) 485 模塊”：

• 它從 USB 串口讀到數(shù)據(jù)，再?gòu)?485 接口發(fā)送出去；
• 它從 485 接口讀到數(shù)據(jù)，再?gòu)?USB 串口發(fā)送給 PC。

1. 硬件連接

2. STM32H5 程序改造

本節(jié)源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼7-6_STM32F030串口測(cè)試h5_demo”。

3.STM32F030程序調(diào)試

本節(jié)源碼為“3_程序源碼?1_視頻配套的源碼7-6_STM32F030串口測(cè)試f030_demo”。

7.5 libmodbus 移植

本節(jié)源碼為“3_ 程序源碼?1_ 視頻配套的源碼7-7_STM32F030 上libmodbus 移植 f030_demo”。

7.5.1 移植 libmodbus

把“7-6_STM32F030串口測(cè)試h5_demodemoMiddlewaresThird_Partylibmodbus”整 個(gè)目錄復(fù)制到f030_demo中。

在Keil工程中添加代碼， 如下：

7.5.2 使用 modbus 控制設(shè)備

STM32F030作為從設(shè)備（sever），編寫(xiě)“CoreSrcfreertos.c”：

7.5.3 上機(jī)實(shí)驗(yàn)

7.6 傳感器設(shè)計(jì)

7.6.1 設(shè)計(jì)思路

上位機(jī)（PC 軟件）或中控（STM32H5）通過(guò) modbus 協(xié)議訪(fǎng)問(wèn) STM32F030 傳感器時(shí)，讀 寫(xiě)的是 STM32F030 分配出來(lái)的 4 個(gè)類(lèi)型的緩沖區(qū)。這里需要解決 2 個(gè)問(wèn)題：

• 這 4 個(gè)類(lèi)型的緩沖區(qū)起始地址、大小分別是多少？ 這根據(jù)傳感器的功能來(lái)設(shè)置。比如有 2 個(gè)按鍵，那么就可以分配 2 個(gè)“只讀的位寄存器”（DI）。
• 這些寄存器的值， 如何跟硬件對(duì)應(yīng)？ 比如上位機(jī)讀 DI 寄存器時(shí)， 誰(shuí)提供這些值？傳感 器的程序應(yīng)該讀取按鍵值，填充 DI 寄存器。

第 1 個(gè)步驟，被稱(chēng)為“點(diǎn)表設(shè)計(jì)”。

7.6.2 三款傳感器功能及所用引腳

這 3 款傳感器的原理圖在網(wǎng)盤(pán)如下目錄里：

它們控制外設(shè)所用的引腳，列表如下：

7.6.3 點(diǎn)表設(shè)計(jì)

所謂點(diǎn)表， 就是一個(gè) modbus 設(shè)備，它的地址是什么？ 它里面 4 類(lèi)寄存器的地址、功能 是什么。

在查看點(diǎn)表時(shí)，經(jīng)常碰到“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”的概念。它們實(shí)質(zhì)上就是前面 講解 modbus 時(shí)引入的“AI、DI、DO、AO”。這些概念起源于電力系統(tǒng)。

電力領(lǐng)域中四遙系統(tǒng)是指遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能系統(tǒng)， 四遙功能是電力監(jiān)控系 統(tǒng)最基本最重要的功能。具體來(lái)說(shuō)：

• 遙測(cè)(遙測(cè)信息，AI)：遠(yuǎn)程測(cè)量；遠(yuǎn)方測(cè)量顯示諸如電流、電壓、功率、壓力、溫度等 模擬量；
• 遙信(遙信信息，DI)：遠(yuǎn)程信號(hào)；遠(yuǎn)方監(jiān)視各類(lèi)電氣開(kāi)關(guān)和設(shè)備、機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài) 和運(yùn)轉(zhuǎn)情況狀態(tài)等；
• 遙控(遙控信息，DO)：遠(yuǎn)程控制；接受并執(zhí)行遙控命令，遠(yuǎn)方控制或保護(hù)電氣設(shè)備及電 氣機(jī)械化的分合起停等工作狀態(tài)；
• 遙調(diào)(遙調(diào)信息，AO)：遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)；接受并執(zhí)行遙調(diào)命令，遠(yuǎn)方設(shè)定及調(diào)整所控設(shè)備的工 作參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；四遙遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)常常被簡(jiǎn)稱(chēng)為 AI、DI、DO、AO。

AI、DI、DO、AO 都是英文名稱(chēng)的首字母縮寫(xiě)，A 的英文全稱(chēng) Analog (模擬量)、D 的英 文全稱(chēng) Digital (數(shù)字量) 、I 的英文全稱(chēng) Input (輸入)、O 的英文全稱(chēng) Output (輸出)。 因此, AI 表示的是模擬信號(hào)輸出， AO 是模擬信號(hào)輸入，DI 是數(shù)字信號(hào)輸入， DO 是數(shù)字信 號(hào)輸出。

隨著技術(shù)不斷地進(jìn)步，現(xiàn)在也有五遙的說(shuō)法， 即在四遙的基礎(chǔ)上加上遙視， 遙視指的 是指利用包括電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等監(jiān)視并記錄設(shè)備運(yùn)行情況和環(huán)境安全 情況。因此伴隨著技術(shù)發(fā)展， 電力系統(tǒng)中從一遙（遙信 DI）階段、發(fā)展到二遙（遙信 AI、 遙測(cè) DI）、三遙（遙信 AI、遙測(cè) DI 和遙控 DO）、四遙（遙信 AI、遙測(cè) DI、遙控 DO 和遙 調(diào) AO）；現(xiàn)在開(kāi)始四遙向五遙過(guò)渡。

原文鏈接：https://blog.csdn.net/LuohenYJ/article/details/106027626

在閱讀點(diǎn)表時(shí)，還會(huì)碰到下表中的“PLC/組態(tài)地址”，或者表中的簡(jiǎn)稱(chēng)“0x、1x、4x、 3x”， 它們的本質(zhì)都是用來(lái)分辨“AI、AO、DI、DO”四類(lèi)寄存器：

點(diǎn)表的設(shè)計(jì)，是完全由開(kāi)發(fā)人員自行定義的。

1.開(kāi)關(guān)量模塊（SWITCH）

寄存器說(shuō)明：

2. 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊（ENV_MONITOR）

寄存器說(shuō)明：

3. 溫濕度模塊（TEMP HUMI）

7.6.4 開(kāi)關(guān)量傳感器程序設(shè)計(jì)

繼電器原理圖如下：

繼電器對(duì)外的信號(hào)有 3 個(gè)：

• COM：公共端，通常是中間的觸點(diǎn)， 與常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)相連
• NC（Normally Closed）： 常閉接口，繼電器吸合前與 COM 連接， 吸合后懸空
• NO（Normally Open）： 常開(kāi)接口， 繼電器吸合前懸空， 吸合后與 COM 連接

開(kāi)路即通路、斷路，閉合指的是開(kāi)關(guān)閉合，也就是說(shuō)， 在沒(méi)有任何上電之類(lèi)的動(dòng)作時(shí)， NC 和 COM 端相當(dāng)于已經(jīng)連通。

本節(jié)源碼為“ 3_ 程 序源 碼?1_ 視 頻配套 的 源 碼7-9_ 開(kāi) 關(guān) 量 傳 感 器 程序 設(shè) 計(jì) f030_demo”。

7.6.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器程序設(shè)計(jì)

1. 硬件電路

光敏電路如下， 光照越強(qiáng)，U6 阻值越低，OPTO_ADC 電壓值就越低：

可調(diào)電阻器如下，R33 阻值越大，RES_ADC 電壓值越?。?/p>

本節(jié)源碼為“3_ 程序源碼?1_ 視頻配套的源碼7-10_ 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器程序設(shè)計(jì) f030_demo”。

2. 配置 GPIO 和 ADC

先在STM32CubmeMX里配置GPIO和ADC 引腳，使能“Discontinuous Conversion Mode ”：

3. 讀取 ADC 的關(guān)鍵代碼

// 1. 檢驗(yàn)
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc) ;

// 啟動(dòng)、讀2次數(shù)值
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc);
    if (HAL_OK == HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100))
    {
    	mb_mapping- >tab_input_registers[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc); 
    }
}

7.6.6 溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)

本節(jié)源碼為“ 3_ 程序源碼?1_ 視頻配套 的源碼7-11_ 溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì) f030_demo”。

1. 硬件電路與操作方法

原理圖如下：

AHT20 芯片資料在網(wǎng)盤(pán)如下目錄：

AHT20 操作方法如下：

詳解如下：

• 發(fā)送測(cè)量命令：傳感器的 VDD 上電后需等待 5ms， 發(fā)送寫(xiě)測(cè)量命令 0x70 0xAC 0x330x00， 等待 80ms 測(cè)量完成；
• 獲取溫濕度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)： 在等待 80ms 測(cè)量完成后， 發(fā)送 0x71 讀傳感器，可獲取狀態(tài)字 Status、溫濕度校準(zhǔn)數(shù)據(jù) SRH[19:0]、ST[19:0]以及校準(zhǔn)字 CRC；
• 根據(jù)公式計(jì)算溫濕度：

計(jì)算檢驗(yàn)碼的函數(shù)如下：

//**********************************************************//
//CRC校驗(yàn)類(lèi)型：  CRC8
//多項(xiàng)式：  X8+X5+X4+1
//Poly:0011 0001 0x31
unsigned char Calc_CRC8(unsigned char *message,unsigned char Num)
{
    unsigned char i;
    unsigned char byte;
    unsigned char crc =0xFF;
    for (byte = 0;byte< Num;byte++)
    {
        crc^=(message[byte]);
        for(i=8;i >0;--i)
        {
            if(crc&0x80)
            crc=(crc< 1)^0x31;
            else
            crc=(crc< 1);
        }
    }
    return crc;
}//
**********************************************************//

2. 配置 I2C

3. 讀取溫濕度關(guān)鍵代碼

讀取一次溫濕度值， 耗時(shí)至少 80ms。不可能在接收到modbus 請(qǐng)求后再去讀溫濕度。而 是使用另一個(gè)任務(wù)不斷讀取溫濕度。

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout) ;

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout) ;