第7章_低成本 Modbus 传感器的实现

文章目录

[第7章低成本 Modbus 传感器的实现](#第7章低成本 Modbus 传感器的实现)
- [7.1 硬件资源介绍与接线](#7.1 硬件资源介绍与接线)
- [7.2 开发环境搭建](#7.2 开发环境搭建)
- [7.3 创建与体验第 1 个工程](#7.3 创建与体验第 1 个工程)
- - [7.3.1 创建工程](#7.3.1 创建工程)
  - [7.3.2 配置调试器](#7.3.2 配置调试器)
  - [7.3.3 配置 GPIO 操作 LED](#7.3.3 配置 GPIO 操作 LED)
- [7.4 UART 编程](#7.4 UART 编程)
- - [7.4.1 使用 STM32CubeMX 进行配置](#7.4.1 使用 STM32CubeMX 进行配置)
  - - 1.UART1
    - [2.配置 RS485方向引脚](#2.配置 RS485方向引脚)
  - [7.4.2 封装 UART](#7.4.2 封装 UART)
  - [7.4.3 上机实验](#7.4.3 上机实验)
  - - [1. 硬件连接](#1. 硬件连接)
    - [2. STM32H5 程序改造](#2. STM32H5 程序改造)
    - 3.STM32F030程序调试
- [7.5 libmodbus 移植](#7.5 libmodbus 移植)
- - [7.5.1 移植 libmodbus](#7.5.1 移植 libmodbus)
  - [7.5.2 使用 modbus 控制设备](#7.5.2 使用 modbus 控制设备)
  - [7.5.3 上机实验](#7.5.3 上机实验)
- [7.6 传感器设计](#7.6 传感器设计)
- - [7.6.1 设计思路](#7.6.1 设计思路)
  - [7.6.2 三款传感器功能及所用引脚](#7.6.2 三款传感器功能及所用引脚)
  - [7.6.3 点表设计](#7.6.3 点表设计)
  - - 1.开关量模块（SWITCH）
    - [2. 环境监测模块（ENV_MONITOR）](#2. 环境监测模块（ENV_MONITOR）)
  - [7.6.4 开关量传感器程序设计](#7.6.4 开关量传感器程序设计)
  - [7.6.5 环境监测传感器程序设计](#7.6.5 环境监测传感器程序设计)
  - - [1. 硬件电路](#1. 硬件电路)
    - [2. 配置 GPIO 和 ADC](#2. 配置 GPIO 和 ADC)
    - [3. 读取 ADC 的关键代码](#3. 读取 ADC 的关键代码)
  - [7.6.6 温湿度传感器程序设计](#7.6.6 温湿度传感器程序设计)
  - - [1. 硬件电路与操作方法](#1. 硬件电路与操作方法)
    - [2. 配置 I2C](#2. 配置 I2C)
    - [3. 读取温湿度关键代码](#3. 读取温湿度关键代码)

第7章低成本 Modbus 传感器的实现

7.1 硬件资源介绍与接线

我们的 Modbus 传感器开发套件共有三个，三个板子的使用的主控方案是 STM32F030芯片，硬件接口资源如下图所示：

开关量模块

温湿度变送器模块

环境检测模块

7.2 开发环境搭建

在前面我们已经安装了 Keil MDK、STM32CubeMX、STM32CubeProgrammer、ST-Link 驱动、 CH340 驱动。因此在这里我们只需给 Keil MDK 安装 STM32F030 对应的 PACK 即可对改芯片进行编码开发。

安装 PACK 的方法有两种：

第一种方法：双击运行开发板配套资料中的 Pack 安装包，随后弹出安装界面，按照默认选项进行安装即可。：

第二种方法，在线安装，下面演示如何在线安装。

打开Keil之后，点击如下按钮启动"Pack Installer"：

使用 "Pack Installer" 可以方便的对 Pack 安装和管理。在左上角搜索框输入 "STM32F030"，展开搜索结果，可以看到STM32F030CC，点击右边的简介链接即可跳转到Pack下载页面，如下图所示。

如果跳转网页无法打开，可直接打开 Pack 下载总入口（www.keil.com/dd2/Pack/）。进入 Pack 下载总入口后，搜索"STM32F030"，找到"STM030CCT"点击, 如下图所示（实测部分网络环境打开该链接无 Pack 列表，请尝试换个网络环境测试，仍旧不行则使用配套资料 Pack）。

点击会跳转到 pack 包界面，点击右上角的"STM32F0xxDFP"即可跳转到 pack 包下载界面，点击右上角"STM32F0xxDFP"处即可下载 pack 包，如下图所示。

下载完成得到"Keil.STM32F0xx_DFP.2.1.1.pack"，直接双击该文件，随后弹出安装界面，按照默认选项进行安装即可。

7.3 创建与体验第 1 个工程

7.3.1 创建工程

启动 STM32CubeMX 后，点击如下图标开始选择 MCU：

如下图输入型号"STM32F030CCT"，双击找到的芯片，开始创建工程：

调高 CPU 频率：

配置工程，如下操作：

指定代码生成方法，如下：

7.3.2 配置调试器

新建的工程要配置调试器，参考[《2.2.3 配置调试器》。](#《2.2.3 配置调试器》。)

然后就可以编译程序、烧写运行了。

7.3.3 配置 GPIO 操作 LED

打开位于"5_硬件资料\01_开发板原理图\STM32F030CCT6_SWITCH_V11.pdf"的原理图文件。

根据开发板原理图可以看到 F030的LED 引脚图如下：

可以双击打开工程中如下文件进入STM32CubeMX进行配置：

然后如下配置 PB11 、PB12 、PB13 为输出引脚：

点击右上角的 "GENERATE CODE"按钮后打开工程。

在main函数的循环里，增加如下代码：

c 复制代码

/* 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);
}

最后编译、烧写、运行，可以看到开发板的 LED 闪烁。

7.4 UART 编程

7.4.1 使用 STM32CubeMX 进行配置

本节源码为"3_程序源码\01_视频配套的源码\7-5_STM32F030串口编程\demo"。 RS4385接口原理图如下：

需要在STM32CubeMX里配置UART1，并且配置PA8为输出引脚。

1.UART1

先使能 UART1：

然后使能中断：

在前面STM32H5的UART程序里使用了DMA，本节故意不使用DMA而使用纯中断来实现UART，多学一种编程方法。

2.配置 RS485方向引脚

STM32H5主控板上使用的RS485转换芯片是MAX13487EESA，它会自动切换发送、接收方向，无需程序进行方向的控制。使用STM32F030制作的"廉价传感器"里，使用的RS485转换芯片是SIT3088ETK，它需要使用一个GPIO来控制方向，如下图所示：

上图中，RS485_CTRL使用的引脚是PA8，所以还需要把它配置为输出引脚，输出低电平（让SIT3088ETK默认为接收状态）。如下配置：

7.4.2 封装 UART

本节源码为"3_程序源码\01_视频配套的源码\7-5_STM32F030串口编程\demo"。现场编程。

7.4.3 上机实验

本节源码为"3_程序源码\01_视频配套的源码\7-6_STM32F030 串口测试"，里面有 2 个程序：h5_demo、f030_demo。

要测试 STM32F030 的串口，只需要把它的 485 接口连接到 PC 去就可以了，但是我们没有 PC 上使用的"USB 转 485"模块，所以使用 STM32H5 来实现一个"USB 转 485 模块"：

它从 USB 串口读到数据，再从 485 接口发送出去；
它从 485 接口读到数据，再从 USB 串口发送给 PC。

1. 硬件连接

2. STM32H5 程序改造

本节源码为"3_程序源码\01_视频配套的源码\7-6_STM32F030串口测试\h5_demo"。

3.STM32F030程序调试

本节源码为"3_程序源码\01_视频配套的源码\7-6_STM32F030串口测试\f030_demo"。

7.5 libmodbus 移植

本节源码为"3_ 程序源码\01_ 视频配套的源码\7-7_STM32F030 上libmodbus 移植 \f030_demo"。

7.5.1 移植 libmodbus

把"7-6_STM32F030串口测试\h5_demo\demo\Middlewares\Third_Party\libmodbus"整个目录复制到f030_demo中。

在Keil工程中添加代码，如下：

7.5.2 使用 modbus 控制设备

STM32F030作为从设备（sever），编写"Core\Src\freertos.c"：

7.5.3 上机实验

7.6 传感器设计

7.6.1 设计思路

上位机（PC 软件）或中控（STM32H5）通过 modbus 协议访问 STM32F030 传感器时，读写的是 STM32F030 分配出来的 4 个类型的缓冲区。这里需要解决 2 个问题：

这 4 个类型的缓冲区起始地址、大小分别是多少？这根据传感器的功能来设置。比如有 2 个按键，那么就可以分配 2 个"只读的位寄存器"（DI）。
这些寄存器的值，如何跟硬件对应？比如上位机读 DI 寄存器时，谁提供这些值？传感器的程序应该读取按键值，填充 DI 寄存器。

第 1 个步骤，被称为"点表设计"。

7.6.2 三款传感器功能及所用引脚

这 3 款传感器的原理图在网盘如下目录里：

它们控制外设所用的引脚，列表如下：

	功能	使用的引脚	描述	寄存器类别
ENV_MONITOR 环境监测模块	BEEP1	PB15	高电平发声	DO
	BEEP2	PB14	高电平发声	DO
	LED1	PB11	低电平发光	DO
	LED2	PB12	低电平发光	DO
	LED3	PB13	低电平发光	DO
	OPTO_ADC	PA1	电压值跟光强成反比	AI
	RES_ADC	PA2	电压值跟可调电阻成反比	AI
SWITCH开关量模块	KEY1	PA3	低电平表示被按下	DI
	KEY2	PA4	低电平表示被按下	DI
	KEY3	PA5	低电平表示被按下	DI
	K1_CTRL	PB5	高电平使能继电器	DO
	K2_CTRL	PB4	高电平使能继电器	DO
	LED1	PB11	低电平发光	DO
	LED2	PB12	低电平发光	DO
	LED3	PB13	低电平发光	DO
TEMP_HUMI温湿度模块	BEEP1	PB15	高电平发声	DO
	BEEP2	PB14	高电平发声	DO
	LED1	PB11	低电平发光	DO
	LED2	PB12	低电平发光	DO
	LED3	PB13	低电平发光	DO
	I2C1_SCL	PB6	可以读到温度、湿度 AI	AI
	I2C2_SDA	PB7	可以读到温度、湿度 AI	AI

7.6.3 点表设计

所谓点表，就是一个 modbus 设备，它的地址是什么？它里面 4 类寄存器的地址、功能是什么。

在查看点表时，经常碰到"遥测、遥信、遥控、遥调"的概念。它们实质上就是前面讲解 modbus 时引入的"AI、DI、DO、AO"。这些概念起源于电力系统。

电力领域中四遥系统是指遥测、遥信、遥控、遥调功能系统，四遥功能是电力监控系统最基本最重要的功能。具体来说：

遥测(遥测信息，AI)：远程测量；远方测量显示诸如电流、电压、功率、压力、温度等模拟量；
遥信(遥信信息，DI)：远程信号；远方监视各类电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等；
遥控(遥控信息，DO)：远程控制；接受并执行遥控命令，远方控制或保护电气设备及电气机械化的分合起停等工作状态；
遥调(遥调信息，AO)：远程调节；接受并执行遥调命令，远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数；四遥遥测、遥信、遥控、遥调常常被简称为 AI、DI、DO、AO。

AI、DI、DO、AO 都是英文名称的首字母缩写，A 的英文全称 Analog (模拟量)、D 的英文全称 Digital (数字量) 、I 的英文全称 Input (输入)、O 的英文全称 Output (输出)。因此, AI 表示的是模拟信号输出， AO 是模拟信号输入，DI 是数字信号输入， DO 是数字信号输出。

随着技术不断地进步，现在也有五遥的说法，即在四遥的基础上加上遥视，遥视指的是指利用包括电子技术、计算机技术、自动化技术等监视并记录设备运行情况和环境安全情况。因此伴随着技术发展，电力系统中从一遥（遥信 DI）阶段、发展到二遥（遥信 AI、遥测 DI）、三遥（遥信 AI、遥测 DI 和遥控 DO）、四遥（遥信 AI、遥测 DI、遥控 DO 和遥调 AO）；现在开始四遥向五遥过渡。

原文链接：https://blog.csdn.net/LuohenYJ/article/details/106027626

在阅读点表时，还会碰到下表中的"PLC/组态地址"，或者表中的简称"0x、1x、4x、 3x"，它们的本质都是用来分辨"AI、AO、DI、DO"四类寄存器：

寄存器种类	PLC/组态地址	Modbus 寄存器地址范围	简称	读写状态
线圈状态	00001~09999	0000H~FFFFH	0x	可读可写
离散输入状态	~10001 19999	0000H~FFFFH	1x	只读
保持寄存器	40001~49999	0000H~FFFFH	4x	可读可写
输入寄存器	~30001 39999	0000H~FFFFH	3x	只读

点表的设计，是完全由开发人员自行定义的。

1.开关量模块（SWITCH）

寄存器说明：

设备地址	寄存器地址	寄存器类别	用途	描述
01H	0000H	DI	读取按键 KEY1	1-被按下
0001H	DI	读取按键 KEY2	1-被按下
0002H	DI	读取按键 KEY3	1-被按下
0000H	DO	控制继电器 1	1-吸合
0001H	DO	控制继电器 2	1-吸合
0002H	DO	控制 LED1	1-亮
0003H	DO	控制 LED2	1-亮
0004H	DO	控制 LED3	1-亮

2. 环境监测模块（ENV_MONITOR）

寄存器说明：

设备地址	寄存器地址	寄存器类别	用途	描述
02H	0000H	DO	控制蜂鸣器 1	1-响
0001H	DO	控制蜂鸣器 2	1-响
0002H	DO	控制 LED1	1-亮
0003H	DO	控制 LED2	1-亮
0004H	DO	控制 LED3	1-亮
0000H	AI	读取光敏电压	0xfff 对应 3.3V12 位精度
0001H	AI	可调电阻器电压	0xfff 对应 3.3V12 位精度

温湿度模块（TEMP HUMI）

设备地址	寄存器地址	寄存器类别	用途	描述
03H	0000H	DO	控制蜂鸣器 1	1-响
0001H	DO	控制蜂鸣器 2	1-响
0002H	DO	控制 LED1	1-亮
0003H	DO	控制 LED2	1-亮
0004H	DO	控制 LED3	1-亮
0000H	AI	读取温度	单位 0.1 摄氏度 16 位有符号整数
0001H	AI	读取湿度	单位 0.1%RH16 位有符合整数

7.6.4 开关量传感器程序设计

继电器原理图如下：

继电器对外的信号有 3 个：

COM：公共端，通常是中间的触点，与常开或常闭触点相连
NC（Normally Closed）：常闭接口，继电器吸合前与 COM 连接，吸合后悬空
NO（Normally Open）：常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与 COM 连接

开路即通路、断路，闭合指的是开关闭合，也就是说，在没有任何上电之类的动作时， NC 和 COM 端相当于已经连通。

本节源码为" 3_ 程序源码\01_ 视频配套的源码\7-9_ 开关量传感器程序设计 \f030_demo"。

7.6.5 环境监测传感器程序设计

1. 硬件电路

光敏电路如下，光照越强，U6 阻值越低，OPTO_ADC 电压值就越低：

可调电阻器如下，R33 阻值越大，RES_ADC 电压值越小：

本节源码为"3_ 程序源码\01_ 视频配套的源码\7-10_ 环境监测传感器程序设计 \f030_demo"。

2. 配置 GPIO 和 ADC

先在STM32CubmeMX里配置GPIO和ADC 引脚，使能"Discontinuous Conversion Mode "：

3. 读取 ADC 的关键代码

c 复制代码

// 1. 检验
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc) ;

// 启动、读2次数值
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 温湿度传感器程序设计

本节源码为" 3_ 程序源码\01_ 视频配套的源码\7-11_ 温湿度传感器程序设计 \f030_demo"。

1. 硬件电路与操作方法

原理图如下：

AHT20 芯片资料在网盘如下目录：

AHT20 操作方法如下：

详解如下：

发送测量命令：传感器的 VDD 上电后需等待 5ms，发送写测量命令 0x70 0xAC 0x330x00，等待 80ms 测量完成；
获取温湿度校准数据：在等待 80ms 测量完成后，发送 0x71 读传感器，可获取状态字 Status、温湿度校准数据 SRH[19:0]、ST[19:0]以及校准字 CRC；
根据公式计算温湿度：

计算检验码的函数如下：

c 复制代码

//**********************************************************//
//CRC校验类型：  CRC8
//多项式：  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. 读取温湿度关键代码

读取一次温湿度值，耗时至少 80ms。不可能在接收到modbus 请求后再去读温湿度。而是使用另一个任务不断读取温湿度。

c 复制代码

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) ;

第7章_低成本 Modbus 传感器的实现

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