Обновить

Портирование ModBus Slave RTU/ASCII на IAR AVR v3

Промышленное программированиеРазработка робототехникиПрограммирование микроконтроллеровРазработка под ArduinoПроизводство и разработка электроники


Я уже десять лет не писал под AVR… А вдруг разучился?! Для проверки я решил портировать библиотеку ModBus Slave RTU/ASCII без смс и регистрации на платформу IAR AVR, а также, по просьбам читателей, показать демку подключения к панели оператора Weintek.

Для решения этой задачи в кустах обнаружился рояль ноутбук IBM ThinkPad, нужным комплектом программного обеспечения.



Спаян шнурок для программатора AVReal.



В хламе найдена макетная плата с ATMega48. Фотография макетной платы на на первом рисунке.

Поехали!


Для портирования библиотеки «ModBus Slave RTU/ASCII без смс и регистрации» необходимо написать интерфейсы системного таймера и последовательного порта. У автора нездоровая привычка, писать низкоуровневый ввод/вывод для AVR на ассемблере. В нашем случае, я не буду отказывать себе в своих привычках.

Заголовочный файл systimer.h
#ifndef __SYSTIMER_H
#define __SYSTIMER_H

#ifdef __SYSTIMER_ASM

#define CLKSysTimer (8000000/64)

#else
#include "main.h"
//Инициализация
void InitSysClock(void);
//время от запуска в милисекундах
unsigned long Clock(void);
#endif
#endif


Файл systimer.asm
#define __SYSTIMER_ASM
#include <iom48.h>
#include "systimer.h"

MODULE __systimer

COMMON INTVEC
ORG TIMER0_COMPA_vect
  rjmp tim0_comp

RSEG CODE
tim0_comp:
  in r10,SREG
  inc r11
  add r12,r11
  dec r11
  adc r13,r11
  adc r14,r11
  adc r15,r11
  out SREG,r10
  reti

PUBLIC InitSysClock
InitSysClock:
  cli
  clr r11
  clr r12
  clr r13
  clr r14
  clr r15
  push r16
  ldi r16,(0<<COM0A1)|(0<<COM0A0)|(0<<COM0B1)|(0<<COM0B0)|(1<<WGM01)|(0<<WGM00)
  out TCCR0A,r16
  ldi r16,(0<<FOC0A)|(0<<FOC0B)|(0<<WGM02)|(3<<CS00)
  out TCCR0B,r16
  ldi r16,(CLKSysTimer/1000)
  out OCR0A,r16
  ldi r16,(0<<OCIE0B)|(1<<OCIE0A)|(0<<TOIE0)
  sts TIMSK0,r16
  pop r16
  reti

PUBLIC Clock
Clock:
  cli
  movw r16,r12
  movw r18,r14 
  reti

ENDMOD
END


В качестве системного таймера используется TIMER0. В прерывании по совпадению таймера (COMPA), происходящем каждую милисекунду, инкрементируется четырехбайтная переменная находящаяся в регистрах r12-r15. Эти регистры не поддерживают работу с константами, поэтому для инкремента приходится использовать регистр r11. Регистр r10 используется для сохранения регистра состояния процессора. Перечисленные регистры зарезервированы в настройках компилятора.

Значение переменной r12-r15, через атомарную операцию считывается функцией Clock(), необходимой для работы библиотеки ModBus Slave RTU/ASCII.

Частота прерываний таймера определяется константой CLKSysTimer в заголовочном файле. Значение константы — отношение тактовой частоты процессора к пределителю таймера.

Интерфейс последовательного порта.

Заголовочный файл uart.h
#ifndef __UART_H
#define __UART_H

#ifdef __UART_ASM

#define CLK_Uart (8000000)
#define UartSpeed (19200)
#define FIFORX (32)
#define FIFOTX (64)

#else

#include "main.h"
void UartInit(void);
unsigned short Inkey16Uart(void);
void PutUart(unsigned char a);

#endif
#endif


Файл uart.asm
#define __UART_ASM
#include <iom48.h>
#include "uart.h"
MODULE __uartrxtx

RSEG NEAR_Z
rxfifo: //Буфер FIFO
  DS FIFORX
rxHead://голова, пишем на голову
  DS 1 
rxTail://хвост, читаем с хвоста
  DS 1 
txfifo://Буфер FIFO
  DS FIFOTX
txHead://голова, пишем на голову
  DS 1 
txTail://хвост, читаем с хвоста и в UART
  DS 1 

COMMON INTVEC
ORG USART_RX_vect
  rjmp uart_rx
ORG USART_TX_vect
  rjmp uart_tx  

RSEG CODE
//void UartInit(void);
PUBLIC UartInit
UartInit:
  sbi PORTD,0
  cli
  push r16
  //обнуление указателей
  clr r16
  sts rxHead,r16
  sts rxTail,r16
  sts txHead,r16
  sts txTail,r16
  //Скорость передачи
  ldi r16,LOW((CLK_Uart/8+UartSpeed/2)/UartSpeed-1)
  sts UBRR0L,r16
  ldi r16,HIGH((CLK_Uart/8+UartSpeed/2)/UartSpeed-1)
  sts UBRR0H,r16
  //Enable receiver and transmitter, разрешение прерываний
  ldi r16,(1<<RXEN0)|(1<<TXEN0)|(1<<RXCIE0)|(1<<TXCIE0)
  sts UCSR0B,r16
  //Set frame format: 8data, 1stop bit, Parity No
  ldi r16, (0<<UMSEL00)|(0<<UPM00)|(0<<USBS0)|(3<<UCSZ00)
  sts UCSR0C,r16
  //сброс флагов прерываний UART
  lds r16,UCSR0A
  ori r16,(1<<TXC0)|(1<<U2X0) 
  sts UCSR0A,r16
  lds r16,UDR0
  pop r16
  reti

//Обработчик прерывания по приему
uart_rx:
  push r16
  in r16,SREG
  push r16
  push XL
  push XH
//UART->FIFO  
  lds r16,rxHead
  ldi XL,LOW(rxfifo)
  ldi XH,HIGH(rxfifo)
  add XL,r16
  adc XH,r16
  sub XH,r16
  inc r16
  andi r16,(FIFORX-1)
  sts rxHead,r16
  lds r16,UDR0
  st X,r16
  pop XH
  pop XL    
  pop r16
  out SREG,r16
  pop r16
  reti

//unsigned short Inkey16Uart(void);
//Если нет данных возвращает 0х0000, иначе возвращает 0х01ХХ
PUBLIC Inkey16Uart
Inkey16Uart:
  lds R17,rxHead
  lds r16,rxTail
  cp r16,r17
  breq Inkey16Uart1
  //читаем данные из FIFO  
  push XL
  push XH
  ldi XL,LOW(rxfifo)
  ldi XH,HIGH(rxfifo)
  add XL,r16
  adc XH,r16
  sub XH,r16  
  inc r16
  andi r16,(FIFORX-1)
  sts rxTail,r16  
  ld r16,X
  pop XH
  pop XL
  ldi r17,1
  ret
Inkey16Uart1:
  clr r16
  clr r17
  ret

//обработчик прерывания по передаче
uart_tx:
  push r16
  in r16,SREG
  push r16
  push r17
  //проверяем наличие данных в буфере
  lds r17,txHead
  lds r16,txTail
  cp r16,r17
  brne uart_tx2  
  rjmp uart_tx_end
uart_tx2://если данные есть - передаем  
  push XL
  push XH
  ldi XL,LOW(txfifo)
  ldi XH,HIGH(txfifo)
  add XL,r16
  adc XH,r16
  sub XH,r16  
  inc r16
  andi r16,(FIFOTX-1)
  sts txTail,r16  
  ld r16,X
  sts UDR0,r16
  pop XH
  pop XL
uart_tx_end:
  pop r17
  pop r16
  out SREG,r16
  pop r16
  reti
  
//void PutUart(char a);
PUBLIC PutUart
PutUart:
  push XL
  push XH
//проверяем наличие данных в буфере
  lds XH,txHead
  lds XL,txTail
  cp XH,XL
  brne PutUart1
//проверякм регистр передачи
  lds XL,UCSR0A
  sbrs XL,UDRE0
  rjmp PutUart1
  sts UDR0,r16
  pop XH
  pop XL
  ret
PutUart1://положить в txfifo[]  
  push r16
  mov r16,XH
  ldi XL,LOW(txfifo)
  ldi XH,HIGH(txfifo)
  add XL,r16
  adc XH,r16
  sub XH,r16
  inc r16
  andi r16,(FIFOTX-1)
  sts txHead,r16
  pop r16
  st X,r16
  pop XH
  pop XL    
  ret
ENDMOD
END


Интерфейс последовательного порта реализован по классической схеме. Как на прием, так и на передачу реализован тип данных — очередь на кольцевом буфере. Размер буфера приема и передачи определяется константами FIFORX, FIFOTX соответственно. В целях экономии вычислительных ресурсов процессора, размер буферов приема и передачи должен быть кратен 2^N (2,4,8,16,32...), но не больше 256.

Скорость приема/передачи последовательного порта определяется константой UartSpeed. При тактовой частоте микроконтроллера (определяется константой CLK_Uart) 8МГц, то есть, при использовании внутреннего RC-генератора нет возможности использовать высокие скорости передачи.

При попытке скомпилировать файл библиотеки modbus.c, IAR заругался страшными словами. Компилятор IAR AVR не умеет много чего из стандарта С99. Он также не умеет, при использовании модификатора const, размещать объекты в памяти программ, для этого служит специальный модификатор __flash. Пришлось потратить несколько минут для приведения кода в соответствие требованиям компилятора.

В файле библиотеки modbus.h необходимо определить макросы вызова функций последовательного интерфейса и системного таймера.

//Системный таймер, инкрементируется каждую милисекунду
#define ModBusSysTimer Clock()
//Запись байта в поток последовательного порта - void ModBusPUT(unsigned char A)
#define ModBusPUT(A) PutUart(A) 
//Чтение байта из потока последовательного порта, - unsigned short ModBusGET(void)
//Если нет данных возвращает 0х0000, иначе возвращает 0х01ХХ
#define ModBusGET() Inkey16Uart()

А также определить количество дискретных входов/выходов, регистров для чтения и регистров для чтения/записи. На этом портирование библиотеки можно считать законченным.

Демка


Для демонстрации возможностей библиотеки ModBus Slave RTU/ASCII подключим наше устройство к панели оператора Weintek. В микроконтроллере организованы часы, значения часов, минут секунд выводятся в регистры Modbus, код содержится в файле ModBus2Prg.c:

void Prg2ModBusOutReg(void)
  {//заполнение регистров 4Х регистры для чтения/записи
  ModBusOutReg[0]=Seconds;
  ModBusOutReg[1]=Minutes;
  ModBusOutReg[2]=Hours; 
  return;
  }

void Prg2ModBusInReg(void)
  {//заполнение регистов 3Х регистры для чтения
  ModBusInReg[0]=Seconds;
  ModBusInReg[1]=Minutes;
  ModBusInReg[2]=Hours;  
  return;
  }

Через регистры чтения/записи можно произвести установку часов:

void ModBus2PrgOutReg(void)
  {//чтение регистров 4Х регистры для чтения/записи
  Seconds=ModBusOutReg[0];
  Minutes=ModBusOutReg[1];
  Hours=ModBusOutReg[2]; 
  return;
  }

Дискретные входы/выходы Modbus подключены к портам вывода микроконтроллера. Так же к дискретному входу 4 подключен счетчик полусекунд:

void Prg2ModBusOutBit(void)
  {//заполнение регистров дискретных выходов
  ModBusOutBit[0].bit0=PORTC_Bit1;
  ModBusOutBit[0].bit1=PORTC_Bit2;
  ModBusOutBit[0].bit2=PORTC_Bit3;
  ModBusOutBit[0].bit3=PORTC_Bit4;
  return;
  }

void Prg2ModBusInBit(void)
  {//заполнение регистров дискретных входов
  ModBusInBit[0].bit0=PORTC_Bit1;
  ModBusInBit[0].bit1=PORTC_Bit2;
  ModBusInBit[0].bit2=PORTC_Bit3;
  ModBusInBit[0].bit3=PORTC_Bit4;
  ModBusInBit[0].bit4=PoluSeconds;
  return;
  }

Через дискретные выходы можно управлять состоянием портов микроконтроллера:

void ModBus2PrgOutBit(void)
  {//чтение регистров дискретных выходов
  PORTC_Bit1=ModBusOutBit[0].bit0;
  PORTC_Bit2=ModBusOutBit[0].bit1;
  PORTC_Bit3=ModBusOutBit[0].bit2;
  PORTC_Bit4=ModBusOutBit[0].bit3;
  return;
  }

Программное обеспечение панели разрабатывается в среде EasyBuilder Pro v5.



Подключаем микроконтроллер через USB преобразователь к компьютеру, указываем в настройках проекта панели протокол обмена Modbud RTU и настройки COM-порта через который произошло подключение. Запускаем онлайн симуляцию панели.

Код демки с использованием библиотеки ModBus Slave RTU/ASCII со всеми опциями, после компиляции IAR AVR v3 с оптимизацией по скорости оказался на удивление компактным. Он занимает 3024 байта памяти программ, 398 байт памяти данных. Искренне надеюсь, что библиотека ModBus Slave RTU/ASCII найдет широкое применение для разработки Modbus устройств на маломощных микроконтроллерах.

Проект на GitHub


Видео демки



UPD. Сделал тесты производительности

Слева время выполнения функции ModBusRTU() в машинных циклах. Сравнительные тесты производительности будут в отдельной публикации.
Теги:modbusavriarweintek
Хабы: Промышленное программирование Разработка робототехники Программирование микроконтроллеров Разработка под Arduino Производство и разработка электроники
Рейтинг +9
Количество просмотров 2k Добавить в закладки 35
Комментарии
Комментарии 8

Похожие публикации

Разработчик встраиваемых систем (Embedded Developer)
от 120 000 до 200 000 ₽ТелеметронСанкт-ПетербургМожно удаленно
Старший аналитик (разработка ПО)
от 170 000 ₽NedraСанкт-ПетербургМожно удаленно
Программист Golang (Senior/ Middle+ )
от 150 000 до 250 000 ₽X-KeeperМоскваМожно удаленно

Лучшие публикации за сутки