項目一基于工業總線的機床溫度管理01項目概述項目背景機器溫度管理在工業生產中，機器溫度管理是非常重要的。如果機器溫度過高，會導致設備損壞，影響生產效率。因此，需要實現對機器溫度的實時監控和管理。RS-485總線通信RS-485總線通信是工業生產中常用的通信協議之一，具有傳輸距離遠、傳輸速度快的特點。本項目將基于RS-485總線通信來實現機床的溫度信息檢測功能。工業自動化隨著工業生產的自動化程度不斷提高，對生產設備的監控和管理要求也越來越高。本項目的研究背景是工業自動化，旨在解決工業生產中的實際問題。030201通過本項目的學習和實踐，掌握總線的基礎知識，包括數據總線、地址總線和控制總線等。掌握總線基礎知識通過本項目的學習和實踐，掌握RS-485標準的特性，包括電氣特性、協議特性等。掌握RS-485標準特性通過本項目的學習和實踐，了解Modbus協議的基礎知識，包括協議結構、數據格式等。了解Modbus協議基礎知識項目目標01020302任務描述與需求任務實施計劃本節課我們計劃完成項目的需求分析和設計，并完成項目的實施和測試。任務目標本任務的目標是開發一種基于RS-485總線通信的機床溫度管理系統，以監測和控制機床的溫度，確保機床的正常運行。任務內容車間生產設備因為摩擦會產生熱量，工作時間的增加會導致機床高溫，從而發生異常，本任務將采集機床溫度，并通過RS-485總線進行數據傳輸。任務一：建立RS-485通信協議掌握總線的基礎知識包括總線的基本概念、總線的分類、總線的特點等。掌握RS-485標準的特性包括RS-485標準的電氣特性、信號特性、傳輸特性等。了解Modbus通信協議的基礎知識包括Modbus通信協議的基本概念、協議結構、通信過程等。職業技能目標需求分析可靠性需求本項目的應用場合是工業現場，因此需要保證系統的可靠性和穩定性。數據分析需求本項目需要對接收到的數據進行分析和處理，因此需要對數據分析的方法和算法進行研究。數據傳輸需求本項目需要實現數據的發送和接收，因此需要對RS-485總線通信協議進行詳細的分析和研究。03知識梳理串行通信是一種數據通信方式，它按位（bit）進行數據傳輸，每次傳輸一位數據，通過一定的時間間隔，將多位數據依次傳輸到目的地。串行通信總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，由導線組成的傳輸線束。總線按功能和規范可分為數據總線、地址總線、控制總線、擴展總線和局部總線五大類型。總線總線與串行通信基礎知識總線與串行通信基礎知識RS-485通信屬于串行通信范疇，是計算機與外設或其它計算機按位傳輸數據的通信方式。串行通信串行通信具有傳輸線少、成本低的特點，主要適用于近距離的人機交換、實時監控等系統通信工作。在計算機網絡和分布式工業控制系統中，設備之間通常通過標準串行通信接口和通信電纜實現數據與信息交換。通信特點串行通信可通過電話網實現遠距離傳輸，因此串行通信接口是計算機系統中的常用接口。遠距離傳輸01020403數據交換RS-232接口標準接口信號電平高：RS-232接口標準出現較早，存在不足之處，主要問題是接口信號電平值較高，容易損壞接口電路芯片。邏輯關系與噪聲容限：RS-232接口為負邏輯關系，邏輯“1”為-15～-3V，邏輯“0”為3～15V，噪聲容限為2V。數據傳輸速率低：RS-232接口在異步傳輸時，數據傳輸速率為20000bps，51CPLD開發板中綜合程序的數據傳輸速率只能采用19200bps。共地傳輸與抗噪聲干擾性：RS-232接口使用共地傳輸形式，容易產生共模干擾，抗噪聲干擾性弱。傳輸距離有限：RS-232接口標準的最大傳輸距離約為15m，無法滿足長距離通信的需求。0102030405RS-485工作方式RS-485接口可以聯網構成分布式系統，允許最多并聯32個驅動器和32個接收器。RS-485接口特點RS-485電氣特性RS-485的電氣特性表現為邏輯“1”以兩線間的電壓差（2～6V）表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差（-6～-2V）表示。RS-485采用半雙工工作方式，發送電路須由使能信號加以控制，可以省掉許多信號線。RS-485串行總線RS-485接口特性RS-485多站能力RS-232-C接口在總線上僅允許連接一個收發器，具有單站能力；而RS-485接口在總線上允許連接多達128個收發器，具有多站能力。RS-485接口優勢RS-485接口信號電平低，不易損壞接口電路芯片，且與TTL電平兼容。RS-485傳輸速率數據的最高傳輸速率為10Mbps，采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強。RS-485最大傳輸距離RS-485接口的最大傳輸距離的標準值約為1219m，實際上可達3000m。04任務實施開發板資源Cortex-M3內核開發板引出了STM32F103C8T6單片機的大部分I/O端口資源，用戶可在此基礎上根據需求開發完整的系統。Cortex-M3內核單片機的主頻可達72MHz，是最早的一款32位單片機，對用戶而言，便于開發，難度系數較低。硬件選型RS-485模塊電路項目中開發板引出了RS-485模塊電路，并預留出串口2，方便用戶使用工業總線控制，并提供參考示例。串口2與RS-485需要注意的是，串口2和RS-485的功能不可以同時使用，因為只有一路串口。在使用時需要進行選擇。RS485_Init函數RS485_Init(u32bound)函數用于實現RS-485接口的初始化，相關代碼如下。RS485發函數和接收函數voidRS485_Send_Data(u8*buf,u8len)函數和voidUSART2_IRQHandler(void)函數通過RS-485實現了串口收發功能。main函數main函數首先對所有需要的硬件進行初始化，包含LED（發光二極管）、串口1、RS-485接口等，通過板載RS-485與計算機端RS-232接口實現數據收發。代碼解析05任務二：搭建機床數據監控系統任務描述任務描述與需求車間生產設備因摩擦產生熱量，工作時間增加導致機床高溫異常，需要采集機床溫度數據并通過Modbus通信協議進行傳輸。掌握傳輸方式需要掌握Modbus通信協議的傳輸方式，包括串口通信、網絡通信和無線通信等，以確保數據的有效傳輸。0201Modbus通信協議Modbus概述Modbus通信協議由Modicon于1979年開發，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。目前施耐德電氣公司已將所有權移交給Modbus-IDA組織，該組織的成立為Modbus通信協議的發展奠定了基礎。Modbus通訊協議02電子控制器通用協議Modbus通信協議是應用于電子控制器上的一種通用協議，目前已成為通用工業標準。控制器之間或控制器與其他設備之間可通過此協議經由網絡（如以太網）通信。工業網絡集中監控Modbus通信協議使不同廠商生產的控制設備可以構成工業網絡，進行集中監控。協議定義了消息幀結構，描述了控制器請求訪問其他設備的過程、如何響應請求，以及如何偵測并記錄錯誤。Modbus通訊協議02控制器識別消息在Modbus網絡上通信時，每個控制器必須知道其設備地址，按地址識別發來的消息，決定要做何種動作。如果需要響應，那么控制器將按Modbus消息幀格式生成反饋信息并發送。應用層通信協議RS-485標準只對接口的電氣特性做出相關規定，并未對接插件、電纜和通信協議等進行標準化，因此用戶需要在RS-485總線網絡的基礎上制定應用層通信協議。一般來說，各應用領域的RS-485通信協議都是指應用層通信協議。通訊模型02Modbus是一種單主或多從的通信協議，在同一時間內總線上只能有一個主設備，但可以有一個或多個從設備。Modbus通信協議通信總是由主設備發起，從設備沒有收到來自主設備的請求時，不會主動發送數據。通信模型主設備發送的請求報文包括設備地址、功能碼、數據段、差錯檢測區。請求報文響應信息從設備的響應信息也包含設備地址、功能碼、數據段和差錯檢測區，其中設備地址為本機地址。設備地址設備地址是被選中的從設備的地址，功能碼用于告知被選中的從設備要執行何種功能。數據段數據段包含從設備要執行的功能的附加信息，差錯檢測區為從設備提供數據校驗方法。通信模型在Modbus網絡中，主設備向從設備發送Modbus請求報文的模式有單播模式和廣播模式兩種。主設備模式通信模型主設備尋址單個從設備，從設備接收并處理完畢后向主設備返回一個響應報文。單播模式主設備向Modbus網絡中的所有從設備發送請求報文，從設備接收并處理完畢后不要求返回響應報文。廣播模式Modbus通信協議基于不同的物理鏈路存在不同的通信模式，如串行鏈路的RTU和ASCII模式，以太網鏈路的TCP模式。modbus通信模式三種通信模式的數據模型與功能調用是相同的，唯一的不同之處在于傳輸報文的封裝方式。通信模式的數據模型通信模式寄存器寄存器是CPU內部的一種存儲單元，用于存儲數據和指令。寄存器概述表1-2-1

Modbus寄存器的分類與特性寄存器種類特性說明實際應用線圈（Coil）狀態輸出端口（可讀可寫），相當于PLC的數字量輸出（DO）LED顯示、電磁閥輸出等離散輸入（DiscreteInput）狀態輸入端口（只讀），相當于PLC的數字量輸入（DI）接近開關、撥碼開關等保持寄存器（HoldingRegister）輸出參數或保持參數（可讀可寫），相當于PLC的模擬量輸出（AO）模擬量輸出設定值、PID運行參數、傳感器報警閾值等輸入寄存器（InputRegister）輸入參數（只讀），相當于PLC的模擬量輸入（AI）模擬量輸入值Modbus通信協議在不同物理鏈路上的消息幀是有差異的，此處主要介紹串行鏈路RTU模式的Modbus消息幀格式。在RTU模式中，消息的發送與接收以至少3.5個字符時間的停頓間隔為標志。消息幀格式表1-2-2典型的ModbusRTU消息幀格式起始位地址功能碼數據CRC結束符≥3.58位8位n個8位16位≥3.5個字符消息幀格式表1-2-2典型的ModbusRTU消息幀格式起始位地址功能碼數據CRC結束符≥3.58位8位n個8位16位≥3.5個字符消息幀各組成部分及其功能如下。（1）地址域。地址域存儲了Modbus通信幀中的從設備地址，ModbusRTU消息幀的地址域長度為1字節。在Modbus網絡中，主設備沒有地址，每個從設備都具有唯一的地址。從設備的地址范圍為0～247，其中，地址0作為廣播地址，因此從設備實際的地址范圍是1～247。在下行幀中，地址域表明只有符合地址范圍的從設備才能接收由主設備發送的消息。上行幀中的地址域指明了該消息幀來自哪一設備。（2）功能碼域。功能碼域指明了消息幀的功能，其取值范圍為1～255（十進制）。（3）數據域。數據域與功能碼緊密相關，是存儲功能碼需要操作的具體數據。數據以字節為單位，長度是可變的。（4）CRC（CyclicalRedundancyCheck，循環冗余校驗）域。ModbusRTU消息幀的CRC域由2字節構成，其值是通過對全部報文內容進行CRC計算得到的，計算對象包括CRC域之前的所有字節。在CRC域中添加消息幀時，先添加低字節再添加高字節，因此最后1字節是CRC域的高字節。添加代碼包添加濕度傳感器驅動代碼包添加RS-485總線數據收發的相關代碼包添加Modbus通信協議的相關代碼包核心代碼解析0102u8ModBus_ReadTemp(void){

RS485_Send_Data(readtemp,8);

}u8ModBus_ReadHumi(void){ RS485_Send_Data(readhumi,8);}voidModBus_RecData(void)//表示從設備發來的數據{ if(recflag==1) { if(RS485_RX_BUF[0]==0x01)//地址為1 { switch(RS485_RX_BUF[1])//判斷功能碼 { case4://讀數據寄存器 calCRC=CRC_Compute(RS485_RX_BUF,RS485_RX_CNT-2);recCRC=((u16)RS485_RX_BUF[RS485_RX_CNT-2]<<8)|RS485_RX_BUF[RS485_RX_CNT-1];//讀取CRC if(calCRC==recCRC)//表明CRC正確 { if(RS485_RX_BUF[2]==0x02)//讀取2字節 { if(