主機與 Smart Display 之間的 Modbus 通訊

為協助開發人員快速上手 WINSTAR Smart Display，並進一步了解不同應用情境下的操作方式，我們持續提供各種控制與通訊情境的實作範例。本文將介紹另一個 Modbus 示範範例，協助初學者與有經驗的開發人員掌握主機與 Smart Display 通訊的基本原理。

Modbus 通訊協定廣泛應用於工業自動化，可用於各種設備與感測器的通訊與控制。在此應用中，Arduino 開發板可作為系統整合與主機控制的平台。透過 Modbus 通訊協定，Arduino 可搭配各種感測器與切換按鈕，與 Smart Display、Gauge（儀表）、指示燈及 LED 進行互動與控制。此範例使用 Arduino Mega 2560 搭配 RS485 擴充板，透過 Modbus 與 WINSTAR Smart Display 進行通訊。

此示範程式說明如何透過 Modbus 暫存器讀取感測器數值、切換顯示頁面，並根據感測器讀值控制 LED。對於希望進一步了解 Modbus 通訊協定，以及其在主機與 Smart Display 控制應用的初學者與有經驗的開發人員而言，可作為實作參考。

系統方塊圖

 

本應用需要以下元件:

1. Smart Display Modbus 7”
2. ARDUINO Mega 2560
3. ARDUINO Mega 2560的RS485 Modbus載板
4. Arduino 開發環境 v2.0.4
5. Modbus RS485 連接器
6. 實體按鈕
7. 旋鈕
8. LED
9. GUI-Builder v0.4.2 或更高的版本

 

這個示範分為三個部分:

1. 在GUI Builder中設計專案
2. 建立和上傳專案
3. 編譯Arduino主機

 

以GUI builder設計專案

首先，建立一個新專案，輸入專案名稱，然後選擇裝置類別，此應用選擇7吋的裝置。通訊協議選擇Modbus，顯示方向為橫向。接著在UI範本中選擇空白模板，最後點選Create按鈕，如圖所示。

 

完成上述設定後，會得到一個空白的設計模板。

 

根據應用情境，需要新增第二個頁面。因此，點擊page按鈕，然後點擊+號按鈕。

 

可以在Resource選單中更改背景樣式。

 

在Page區域可以選擇背景樣式。

 

現在回到第一個頁面的工作區。根據示範場景，選擇切換按鈕，將其拖放到頁面設計區域。對於時速表和指示燈也是相同的操作。

 

建立並上傳專案

完成上述步驟並建立兩個不同的頁面後，現在就可以開始設定專案了。切換到“Page info”頁面。點選“Device”，選擇“Device Property”。然後選擇COM埠，設定與裝置相同的鮑率，最後，點擊Upload project將此專案上傳。

 

當專案上傳完成後，點擊“OK”:

 

上傳完成後，您將在SmartDisplay上看到開機畫面。

 

啟動畫面後，將會顯示第一頁。

 

編譯Arduino主機

此範例所需要的寄存器地址都在Arduino IDE程式中被定義，如下圖所示：

程式首先定義實體按鈕傳感器、可變電阻傳感器和LED的腳位。然後使用ModbusMaster庫初始化Modbus通訊。程序為控制顯示頁面、指示燈、時速表和切換按鈕設置了Modbus寄存器地址。

 

如果您想瞭解主機和SmartDisplay之間如何透過 RS485 進行通訊，請參考 GUI BUILDER中的通訊紀錄。下圖是“切換按鈕”的數據，使用者可以藉此參考如何對SmartDisplay下命令來切換按紐。數據字節的第二個字節是00 06十六進制值。它代表切換按鈕的位址，將此值轉換為十進制值後，它將是6。可以使用它來寫入或插入數據到按鈕中。但是，在這種情況下，切換按鈕被用作讀取或從SmartDisplay中檢索數據的函數。在這裡，我們使用註冊位址“7”來從切換按鈕讀取數據。

 

現在，問題來了，為什麼我們要使用註冊位址“7”來從切換按鈕接收數據呢？建議您查閱SmartDisplay Modbus的規格書以獲得更詳細的訊息。下圖是規格書的部分截圖，其中顯示了第一個對象（物件）切換按鈕使用的位址。

 

下圖顯示了“時速表”的訊號數據。該數據告訴我們如何訪問時速表的位址。數據字節的第二個字節是00 6A十六進制值。它代表時速表的位址，將此值轉換為十進制值後，它將是106。可以使用它來將數據寫入或插入到時速表物件中。

 

下圖顯示了“指示燈”的程式數據。此數據告訴我們如何訪問指示燈的位址。數據字節的第二個字節是00 CE十六進制值。它代表指示燈的地址，將此值轉換為十進制值後，它將是206。可以使用它來將數據寫入或插入到指示燈物件中。

 

ADC_REF：常量設置為5V，表示ADC（模數轉換器）的參考電壓，用於調整實體按鈕的靈敏度。GROVE_VCC：常量設置為5，表示電路中使用的Grove接口的VCC電壓。FULL_ANGLE：常量設置為300，表示電路中使用的旋轉角度的全值。該注釋表明，該值以度為單位進行測量。

 

在這裡，設置了許多必要的變量，聲明了數據類型並初始化為零。

 

定義所有腳位模式和外部組件（如實體按鈕和LED）的設置。同時在串行通信中設置波特率，如下圖所示：

 

下圖顯示了“ChangePageFunction”的定義。使用“writeSingleRegister”函數寫入數據。

 

下圖顯示了當Arduino主機讀取變量電阻（旋轉角度）傳感器的值變化時，它會通過Modbus將值發送到SmartDisplay來更改時速表的值。當值小於120時，腳位13上的LED處於關閉狀態，指示燈為綠色。當值等於或大於120時，LED亮起，指示燈顏色變為紅色。

 

下圖顯示了當Arduino主機讀取實體按鈕傳感器的值變化時，它會透過Modbus將值發送到SmartDisplay來更改頁面。

 

下圖顯示了Arduino主機透過Modbus從SmartDisplay接收切換按鈕的值變化，以打開腳位12上的LED。

 

這是非常重要的部分，我們在這裡使用“writeSingleRegister”函數來寫入或插入數據，以與SmartDisplay進行通訊，並使用“readHoldingRegisters”函數從SmartDisplay讀取或接收數據。在這裡特別需要注意延遲函數，以與像時速表這樣的活動小物件進行通訊。在Modbus中，一旦我們發送數據並得到確認，就可以再次發送數據。因此，在使用Modbus協議進行數據傳輸和接收時，使用延遲函數變得非常必要。

 

成功透過Arduino IDE驗證和上傳該程式後，就可以執行演示專案了。當切換按鈕處於關閉狀態時，腳位12上的LED也處於關閉位置。當切換按鈕處於ON模式時，LED立即打開，如下圖所示：

 

根據演示範例，時速錶由變量寄存器感測器控制。當表盤值介於0和120之間時，指示燈顯示為綠色，腳位13上的LED則關閉。但是，當表盤值超過120時，指示燈變為紅色，腳位13上的LED亮起，如下圖所示：

 

在此專案中，可以利用實體按鈕在不同頁面之間切換。當按下實體按鈕傳感器時，顯示器會切換到第二個頁面，再次按下時，它會切換回第一個頁面，如下圖所示。

 

恭喜，在SmartDisplay 7吋上完成了實作範例！ 相關程式及更多詳情可參考 GitHub (https://bit.ly/3oT0o5M)。

有關此專案中使用的Modbus RS485 Shield請參考此連結 (https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/DFRobot%20PDFs/DFR0259_Web.pdf) 。 以下是實際的硬體設置圖：

 

結語

本文的目的是展示如何使用Arduino開發板和Modbus協議來控制傳感器和指示燈，讓使用者瞭解如何通過使用RS485來設計自己的主機控制器，且學習如何透過主機端接收和發送命令，對SmartDisplay進行全面的控制。