Портирование ModBus Slave RTU/ASCII на IAR AVR v3

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.

#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 

#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.

#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 

#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