一. HMI與通訊協議

隨著工業技術的發展，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的自定義通信協議能在一定程度上維護企業的數據隱秘性，提升產品功能的多樣性，并且能夠解決企業通信協議不兼容問題。

HMI的串口通信規則，除了標準Modbus協議產品，大多都是根據原廠制定的協議規則進行。然而許多企業也有其各自的通信規則及報文格式，在配套使用HMI開發應用時，企業希望保留或使用自己的功能特性和數據交互規則，用以匹配自己協議的應用開發。

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，在原廠提供的庫函數中，有開放串口控制類的API，通過這些API函數能夠實現企業的自定義通信協議設計。

二. 自定義通訊協議

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，實現目標協議通信功能。

HMI串口通信協議，常見的報文格式一般由“幀頭”、“長度碼”、“功能碼”、“參數數據信息”、“幀尾”、“校驗碼”幾個部分組成。通信過程中，系統將實時查詢串口的數據接收，獲取符合協議的報文數據，執行規定的指令功能。

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

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表2-1：自定義協議通信報文格式

*1. 指令長度碼，計算“命令碼”到“校驗碼”中所有數據的字節總數。
*2. 指令地址、數據、參數信息，是多字節數據，數據都是高位在前，低位在后。
*3. 指令校驗碼，計算“幀頭”到“幀尾”中所有的數據的ModbusCRC-16校驗。

三. 功能需求分析

1. HMI原通信協議屏蔽

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

2. 接收指令數據處理與解析回復

獲取串口數據后，需要提取符合自定義協議規則的指令以便后續對指令進行解析并執行指令功能。因此需要定義接收指令數組，用以存儲串口中符合協議規則的指令數據。

協議通信中，也存在指令回復功能，比如讀取/訪問地址數據的指令。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組，對讀取/訪問操作的指令進行回復。

3. 協議通信指令功能要求

在LUA程序設計中，需要實現的功能板塊有：①從串口接收區中獲取符合規定自定義規則的指令，存儲在接收指令數組；②調用接收到的指令數據，對指令數據進行解析；③調用相應的功能處理函數，執行指令功能。對于讀取/訪問信息類的指令，還需要操作串口發送數據進行回復。

解析的指令目前主要實現4功能板塊。①功能碼“0x01”：訪問/讀取變量數據；②功能碼“0x02”：改寫變量數據；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。

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圖3-1 協議通信主要功能板塊

四. Lua實現自定義協議

1. 屏蔽原廠通信協議

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

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

2. 自定義協議的數據結構

2.1 接收指令數組

定義數組：CustProt_recvcmd = {}
類型：全局數組，初始化時定義。
說明：存儲串口接收區中符合協議規則的指令數據。接收指令數據過程中，如過不符合定義的規則，需清空接收數組。

2.2 回復指令數組

定義數組：CustProt_sendcmd = {}
類型：全局數組，初始化時定義。
說明：根據協議規則，存儲需要通過串口進行回復的指令數據。發送完成后清空數組。

3. 自定義協議設計實現

LUA程序設計，主要實現函數功能見流程圖4-2。

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3.1 檢查串口接收區數據

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

3.2 獲取符合自定義協議的指令數據

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

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

3.3 自定義協議的數據檢查及校驗

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

3.4 指令數據解析

構造函數：CmdHandle(CustProt_recvcmd)
輸入：接收指令數組 CustProt_recvcmd。
說明：函數根據指令中的功能碼，分類處理指令數據，如數字數據和字符串數據。

3.5 執行指令功能

3.5.1 讀變量數據功能

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

調用函數：hmt.putchar(byte)
輸入：指令字節數據。
說明：讀取后回復指令時，會頻繁調用該函數，將回復指令數組中的數據通過串口發送。

3.5.2 寫變量數據功能

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

調用函數：string.char(byte)
輸入：接收自定義指令中的字節。
輸出：字符數據。
使用說明：寫入字符串變量時，需要通過該函數將數字指令數據轉成字符數據寫入變量。可以配合字符串連接符“..”轉成字符串數據。

3.5.3 工程跳頁功能

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

3.5.4 設置屏幕背光功能

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

調用函數：hmt.runcmd(cmdtable, len)
輸入：“cmdtable”內部指令數組，“len”調用數組長度。
使用說明：當功能碼為“0x04”時使用該函數處理，調用局部數組setBLcmd，執行自定義協議的調節背光功能。

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議，旨在引出通信協議實現的一種思路，因為工業控制、物聯網智能家居、環境監控、數據安全等領域，應用層的功能設計很大程度會影響甚至決定協議層的數據傳輸格式。

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