智能液晶顯示模塊HMI自定義通信協(xié)議分析

一. HMI與通訊協(xié)議

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，HMI（人機界面）的應用領域愈加廣泛。通過拓普微的智能液晶顯示模塊實現(xiàn)的自定義通信協(xié)議能在一定程度上維護企業(yè)的數(shù)據(jù)隱秘性，提升產品功能的多樣性，并且能夠解決企業(yè)通信協(xié)議不兼容問題。

HMI的串口通信規(guī)則，除了標準Modbus協(xié)議產品，大多都是根據(jù)原廠制定的協(xié)議規(guī)則進行。然而許多企業(yè)也有其各自的通信規(guī)則及報文格式，在配套使用HMI開發(fā)應用時，企業(yè)希望保留或使用自己的功能特性和數(shù)據(jù)交互規(guī)則，用以匹配自己協(xié)議的應用開發(fā)。

基于此，拓普微的HMI串口屏有一套較為成熟的設計方案。本文將介紹智能顯示模塊HMT050DTA-D如何基于LUA腳本設計實現(xiàn)，在原廠提供的庫函數(shù)中，有開放串口控制類的API，通過這些API函數(shù)能夠實現(xiàn)企業(yè)的自定義通信協(xié)議設計。

二. 自定義通訊協(xié)議

此次設計將通過拓普微的智能液晶屏HMI的串口，配合LUA程序，應用串口控制類API，實現(xiàn)目標協(xié)議通信功能。

HMI串口通信協(xié)議，常見的報文格式一般由“幀頭”、“長度碼”、“功能碼”、“參數(shù)數(shù)據(jù)信息”、“幀尾”、“校驗碼”幾個部分組成。通信過程中，系統(tǒng)將實時查詢串口的數(shù)據(jù)接收，獲取符合協(xié)議的報文數(shù)據(jù)，執(zhí)行規(guī)定的指令功能。

如下“表2-1：自定義協(xié)議通信報文格式”，定義了一種常見的通信報文格式。（硬件串口參數(shù)說明：波特率“115200”；數(shù)據(jù)位“8”；停止位“1”；校驗如下表）

表2-1：自定義協(xié)議通信報文格式

*1. 指令長度碼，計算“命令碼”到“校驗碼”中所有數(shù)據(jù)的字節(jié)總數(shù)。
*2. 指令地址、數(shù)據(jù)、參數(shù)信息，是多字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都是高位在前，低位在后。
*3. 指令校驗碼，計算“幀頭”到“幀尾”中所有的數(shù)據(jù)的ModbusCRC-16校驗。

三. 功能需求分析

1. HMI原通信協(xié)議屏蔽

目前使用的型號HMT050DTA-D默認是TOPWAY協(xié)議通信的，存在指令錯誤碼回復機制。因此在自定義協(xié)議通信過程中，如果沒有屏蔽原協(xié)議，可能會存在串口占用，回復數(shù)據(jù)混亂的情況。所以在設計自己協(xié)議通信時首先要把原廠的協(xié)議屏蔽，避免數(shù)據(jù)沖突。

2. 接收指令數(shù)據(jù)處理與解析回復

獲取串口數(shù)據(jù)后，需要提取符合自定義協(xié)議規(guī)則的指令以便后續(xù)對指令進行解析并執(zhí)行指令功能。因此需要定義接收指令數(shù)組，用以存儲串口中符合協(xié)議規(guī)則的指令數(shù)據(jù)。

協(xié)議通信中，也存在指令回復功能，比如讀取/訪問地址數(shù)據(jù)的指令。在解析完接收到的指令后，我們要對部分指令進行響應，所以需要定義回復指令數(shù)組，對讀取/訪問操作的指令進行回復。

3. 協(xié)議通信指令功能要求

在LUA程序設計中，需要實現(xiàn)的功能板塊有：①從串口接收區(qū)中獲取符合規(guī)定自定義規(guī)則的指令，存儲在接收指令數(shù)組；②調用接收到的指令數(shù)據(jù)，對指令數(shù)據(jù)進行解析；③調用相應的功能處理函數(shù)，執(zhí)行指令功能。對于讀取/訪問信息類的指令，還需要操作串口發(fā)送數(shù)據(jù)進行回復。

解析的指令目前主要實現(xiàn)4功能板塊。①功能碼“0x01”：訪問/讀取變量數(shù)據(jù)；②功能碼“0x02”：改寫變量數(shù)據(jù)；③功能碼“0x03”：工程顯示跳頁；④功能碼“0x04”：屏幕背光亮度控制。主要板塊功能關系如圖3-1所示。

圖3-1 協(xié)議通信主要功能板塊

四. Lua實現(xiàn)自定義協(xié)議

1. 屏蔽原廠通信協(xié)議

在拓普微提供的LUA庫函數(shù)中存在TOPWAY協(xié)議禁用函數(shù)，可以在程序初始化時調用該函數(shù)對原廠的通信協(xié)議進行屏蔽。如圖4-1

調用函數(shù)：hmt.bypass(is)
輸入：參數(shù)“is”使能開關。
使用說明：當“is=1”時屏蔽原TOPWAY協(xié)議，“is=0”時使用TOPWAY協(xié)議。

2. 自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)結構

2.1 接收指令數(shù)組

定義數(shù)組：CustProt_recvcmd = {}
類型：全局數(shù)組，初始化時定義。
說明：存儲串口接收區(qū)中符合協(xié)議規(guī)則的指令數(shù)據(jù)。接收指令數(shù)據(jù)過程中，如過不符合定義的規(guī)則，需清空接收數(shù)組。

2.2 回復指令數(shù)組

定義數(shù)組：CustProt_sendcmd = {}
類型：全局數(shù)組，初始化時定義。
說明：根據(jù)協(xié)議規(guī)則，存儲需要通過串口進行回復的指令數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后清空數(shù)組。

3. 自定義協(xié)議設計實現(xiàn)

LUA程序設計，主要實現(xiàn)函數(shù)功能見流程圖4-2。

3.1 檢查串口接收區(qū)數(shù)據(jù)

調用函數(shù)：hmt.uartisempty()
輸出：返回“1”時表示串口接收buf為空；返回“0”時表示串口接收區(qū)存在數(shù)據(jù)。
使用說明：使用該函數(shù)判斷串口接收區(qū)是否存在數(shù)據(jù)。等于0時再去執(zhí)行指令獲取函數(shù)。

3.2 獲取符合自定義協(xié)議的指令數(shù)據(jù)

構造函數(shù)：get_CustProtrecvcmd()
輸出：接收指令數(shù)組 CustProt_recvcmd。
說明：將符合自定義協(xié)議的指令存儲在全局的接收指令數(shù)組；期間會對指令中幀頭、幀尾、長度碼3種類型的數(shù)據(jù)格式進行判斷。不符合自定義協(xié)議時將清空指令數(shù)組。

調用函數(shù)：hmt.getchar()
輸出：串口接收隊列的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)。
使用說明：在函數(shù)get_CustProtrecvcmd()中，獲取符合自定義協(xié)議指令時會頻繁調用該函數(shù)，對串口接收區(qū)的數(shù)據(jù)進行篩選。

3.3 自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)檢查及校驗

構造函數(shù)：CmdCheck(CustProt_recvcmd)
輸入：接收指令數(shù)組 CustProt_recvcmd。
說明：函數(shù)會對接收指令數(shù)組中的數(shù)據(jù)碼和校驗碼2個類型的數(shù)據(jù)格式進行判斷。不符合自定義協(xié)議時將清空指令數(shù)組，回復錯誤碼，并重新開始獲取指令。

3.4 指令數(shù)據(jù)解析

構造函數(shù)：CmdHandle(CustProt_recvcmd)
輸入：接收指令數(shù)組 CustProt_recvcmd。
說明：函數(shù)根據(jù)指令中的功能碼，分類處理指令數(shù)據(jù)，如數(shù)字數(shù)據(jù)和字符串數(shù)據(jù)。

3.5 執(zhí)行指令功能

3.5.1 讀變量數(shù)據(jù)功能

構造函數(shù)：_ReadvariableReturnCmd (Addr)
調用函數(shù)：hmt.readvp16(Addr)hmt.readvp32(Addr)hmt.readvpstr(Addr)等。
輸入：自定義協(xié)議中指令的地址數(shù)據(jù)。
說明：當功能碼為“0x01”時使用該函數(shù)處理，函數(shù)將根據(jù)指令中的地址類型，分類調用hmt讀變量函數(shù)，讀回數(shù)據(jù)并存儲在回復指令數(shù)組，最后通過串口發(fā)送返回。

調用函數(shù)：hmt.putchar(byte)
輸入：指令字節(jié)數(shù)據(jù)。
說明：讀取后回復指令時，會頻繁調用該函數(shù)，將回復指令數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送。

3.5.2 寫變量數(shù)據(jù)功能

構造函數(shù)：_Writevariable(addr, value)
_Writevariable1(addr, strvalue)
調用函數(shù)：hmt.writevp16(Addr, value)hmt.writevp32(Addr, value)hmt.writevpstr(Addr, strvalue)等。
輸入：“Addr”自定義協(xié)議中指令的地址數(shù)據(jù)，“value/strvalue”自定義協(xié)議中需要寫入變量的數(shù)字數(shù)據(jù)或字符串數(shù)據(jù)。
說明：當功能碼為“0x02”時使用該函數(shù)處理，函數(shù)將根據(jù)指令中的地址類型，分類調用hmt寫變量函數(shù)，將數(shù)字數(shù)據(jù)或字符串數(shù)據(jù)寫入相應的變量。

調用函數(shù)：string.char(byte)
輸入：接收自定義指令中的字節(jié)。
輸出：字符數(shù)據(jù)。
使用說明：寫入字符串變量時，需要通過該函數(shù)將數(shù)字指令數(shù)據(jù)轉成字符數(shù)據(jù)寫入變量?？梢耘浜献址B接符“..”轉成字符串數(shù)據(jù)。

3.5.3 工程跳頁功能

調用函數(shù)：hmt.changepage(pageid)
輸入：“pageid”自定義協(xié)議中指令的頁面ID信息。
使用說明：當功能碼為“0x03”時使用該函數(shù)處理，CmdHandle中會處理自定義指令中雙字節(jié)的ID信息為數(shù)字數(shù)據(jù)，然后將數(shù)字數(shù)據(jù)傳入該函數(shù)，跳轉到指定頁面。

3.5.4 設置屏幕背光功能

定義數(shù)組：setBLcmd = {0x5F, 0x00}
類型：局部數(shù)組，在函數(shù)CmdHandle中定義。
說明：函數(shù)CmdHandle會將自定義指令中亮度值傳入數(shù)組setBLcmd的第二個字節(jié)；配合hmt庫函數(shù)hmt.runcmd(cmdtable, len)使用，用以執(zhí)行內部調光指令。

調用函數(shù)：hmt.runcmd(cmdtable, len)
輸入：“cmdtable”內部指令數(shù)組，“l(fā)en”調用數(shù)組長度。
使用說明：當功能碼為“0x04”時使用該函數(shù)處理，調用局部數(shù)組setBLcmd，執(zhí)行自定義協(xié)議的調節(jié)背光功能。

五. 結語

本文所介紹的使用拓普微智能液晶顯示模塊測試通信協(xié)議，旨在引出通信協(xié)議實現(xiàn)的一種思路，因為工業(yè)控制、物聯(lián)網智能家居、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)安全等領域，應用層的功能設計很大程度會影響甚至決定協(xié)議層的數(shù)據(jù)傳輸格式。

智能顯示模塊HMI的串口自定義協(xié)議通信的實現(xiàn)，用戶可以按照自己的需求靈活設計協(xié)議規(guī)則，控制產品實現(xiàn)期望功能，在一定程度上為應用的功能設計提供了新的解決方案。

審核編輯：劉清