嵌入式MODBUSTCP通訊模塊設(shè)計(jì)

1、嵌入式modbus tcp通訊模塊設(shè)計(jì)embedded modbus tcp communication module design李廣勇 guangyong li（南大傲拓科技有限公司，江蘇 南京，210012）(nanda auto technology co.ltd,jiangsu,nanjing,210012)摘要：本文迎合plc應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求，提出一種基于嵌入式的modbus rtu轉(zhuǎn)modbus tcp協(xié)議轉(zhuǎn)化的通訊模塊設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)能簡(jiǎn)單、低成本、便捷、可靠的把現(xiàn)有支持modbus rtu協(xié)議的plc應(yīng)用于以太網(wǎng)互聯(lián)。關(guān)鍵字：plc；modbus rtu；modbus t

2、cp中圖分類號(hào)：tp23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：一、引言modbus應(yīng)用層協(xié)議由美國(guó)modicon公司(現(xiàn)為施耐德電氣旗下品牌)于1979年開發(fā)的，用于實(shí)現(xiàn)其plc產(chǎn)品與上位機(jī)的通信。由于其簡(jiǎn)單易用，得到了廣大工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表企業(yè)的采納與支持，實(shí)際上已成為了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。modbus協(xié)議包括ascii、rtu、tcp等。這些年來，隨著plc的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊功能要求越來越高。一方面，網(wǎng)絡(luò)化，集成化的要求，使得plc需要越來越多的接入到計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。另一方面，智能儀表應(yīng)用越來越廣，因此要求plc具備較多的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，能直接與智能儀表進(jìn)行通訊。鑒于此，1999年施奈德

3、電氣發(fā)布了modbus tcp協(xié)議，使得以太網(wǎng)上的modbus設(shè)備可以通過502端口進(jìn)行通信。2、 模塊總體設(shè)計(jì)本模塊采用基于cortex-m3內(nèi)核的新一代arm lpc1758為cpu主控芯片，工作頻率為100 mhz。它內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512k字節(jié)的閃存和64k字節(jié)的sram)，豐富的增強(qiáng)i/o端口和聯(lián)接到兩條apb總線的外設(shè)。同時(shí)集成多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：i2c、spi、i2s、sdio、usart、usb host/device/otg、can、ethernet mic等。本模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1cpu通過phy向以太網(wǎng)總線傳輸modbus tcp數(shù)據(jù)，向rs232或rs

4、485總線傳輸modbus rtu數(shù)據(jù)?？紤]工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，串口接口和lan接口均需要隔離，才能保證電氣上，可靠穩(wěn)定。支持isp下載，便于模塊生產(chǎn)。jtag只有在研發(fā)調(diào)試時(shí)用到。撥碼配置主要配置工作模式，ip地址，波特率。3、 硬件設(shè)計(jì)cpu lpc1758芯片自身并不集成以太網(wǎng)phy，而提供了使用rmii（簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口）協(xié)議和片上miim（媒體獨(dú)立接口管理）串行總線、還有mdio（管理數(shù)據(jù)輸入/輸出）來實(shí)現(xiàn)與片外以太網(wǎng)phy之間的連接。本設(shè)計(jì)采用dp83848c物理層phy芯片，它是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款魯棒性好、功能全、功耗低的10100 mbps單路物理層(phy)器件。它支持

5、mii(介質(zhì)無關(guān)接口)和rmii(精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口)，使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單靈活；同時(shí)，支持10baset和100base-tx以太網(wǎng)外設(shè)，對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)解決方案有良好的兼容性和通用性。圖2為lpc1758和dp83848c之間的接口電路，圖3為dp83848c驅(qū)動(dòng)輸出隔離電路。圖2 lpc1758和dp83848c之間的接口電路圖3 dp83848c驅(qū)動(dòng)輸出隔離電路 pcb布局方面，精度為1的電阻和100 nf的去耦電容應(yīng)靠近phy器件放置，并通過最短的路徑到電源。兩對(duì)差分信號(hào)(td和rd)應(yīng)平行走線，避免短截，且盡量保證長(zhǎng)度匹配，這樣可以避免共模噪聲和emi輻射。理想情況下，信號(hào)線上不應(yīng)有交叉或

6、者通孔，同時(shí)，差分線應(yīng)盡可能走在一面。4、 軟件設(shè)計(jì)本模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從功能上可以設(shè)計(jì)成兩種工作模式：modbus tcp從站模式，modbus tcp主站模式。modbus tcp從站模式，是把以太網(wǎng)總線modbus tcp請(qǐng)求轉(zhuǎn)化成串口總線modbus rtu請(qǐng)求，也就是以太網(wǎng)設(shè)備從plc讀出數(shù)據(jù)；modbus tcp主站模式，是把串口總線modbus rtu請(qǐng)求轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)modbus tcp請(qǐng)求，也就是plc從以太網(wǎng)設(shè)備讀入數(shù)據(jù)。下面以modbus tcp從站模式為例。4.1 模塊配置表1 撥碼功能配置表模塊配置主要是通過8位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)，通過這撥碼開關(guān)配置模塊的工作模式，以太網(wǎng)ip地址

7、，串口rtu地址，波特率。如表1所示：8位撥碼配置功能說明0 xxxxx xxx1 xxxxx xxxmodbus tcp從站模式modbus tcp主站模式x 00000 xxx x 11111 xxxip：192.168.1.0192.168.1.31，同時(shí)也是串口rtu地址x xxxxx 000 x xxxxx 111波特率設(shè)置：2400，4800，115200，230400 bps4.2 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)開發(fā)驅(qū)動(dòng)開發(fā)包括兩部份：芯片物理層驅(qū)動(dòng)(mac，phy)和tcp/ip協(xié)議層驅(qū)動(dòng)。芯片物理層驅(qū)動(dòng)主要是對(duì)lpc1758的以太網(wǎng)控制器和phy芯片的初始化和控制輸入輸出的函數(shù)化打包，以便供tc

8、p/ip協(xié)議層驅(qū)動(dòng)調(diào)用。tcp/ip協(xié)議層驅(qū)動(dòng)開發(fā)需要參考tcp/ip標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，下圖4比較清晰明了的介紹tcp/ip協(xié)議狀態(tài)變化圖。圖4 tcp的狀態(tài)變遷圖 對(duì)于從站模式（服務(wù)器模式），每一個(gè)tcp請(qǐng)求連接對(duì)應(yīng)一組狀態(tài)圖，把這些狀態(tài)歸納入一個(gè)結(jié)構(gòu)體，然后再創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體鏈表，系統(tǒng)程序通過維護(hù)監(jiān)測(cè)鏈表，可以實(shí)現(xiàn)多客戶端同時(shí)請(qǐng)求通訊。4.3 modbus tcp和modbus rtu協(xié)議開發(fā)參考modbus tcp和modbus rtu協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不難實(shí)現(xiàn)plc與本模塊的modbus rtu以及本模塊與外部以太網(wǎng)設(shè)備的modbus tcp數(shù)據(jù)通訊。然后在本模塊程序內(nèi)部完成數(shù)據(jù)包的modbus tcp和m

9、odbus rtu之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用透明傳輸方式，即把從一個(gè)端口接收出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后立即從另一個(gè)端口輸出去。modbus tcp相比modbus rtu報(bào)文格式，多了六個(gè)字節(jié)的前綴，少了后面的crc校驗(yàn)，它是采用tcp/ip 和鏈路層（以太網(wǎng)）校驗(yàn)和機(jī)制來校驗(yàn)分組交換的準(zhǔn)確性。4.4 模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括：系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，modbus rtu通訊狀態(tài)，modbus tcp連接狀態(tài)、通訊狀態(tài)，以及通訊異常報(bào)警。4.5 通訊測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用na200 plc掛載本模塊，然后通過網(wǎng)絡(luò)交叉線和pc電腦相連，利用網(wǎng)上免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具sockettool2進(jìn)行通訊測(cè)試。先在sockettool2建立

10、客戶端，然后連接，發(fā)送測(cè)試通訊數(shù)據(jù)十六進(jìn)制000000000006500600c90055，查看是否有數(shù)據(jù)返回。5、 結(jié)束語(yǔ)本文設(shè)計(jì)的modbus tcp通訊模塊，能和現(xiàn)有plc穩(wěn)定連接，從成本、性能上都將是個(gè)比較好的選擇。前文介紹的是以從站模式為例，對(duì)于主站模式，可以plc利用串口對(duì)通訊模塊設(shè)置通訊請(qǐng)求的從站信息（ip地址等）。在不改變硬件的基礎(chǔ)之上，通過軟件升級(jí)，可以把模塊功能更加完善。比如：滿足通訊模式一主多從、一從多主、以及自定義通訊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。同時(shí)本文提出的思路也可以作為一種通用方案，推廣到類似的產(chǎn)品開發(fā)中。參考文獻(xiàn)(1) 王嘯東plc網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).河南科技 2011年07期窗體底端(2) 宋鑫,郭勇,謝興紅 rmii模式以太網(wǎng)phy芯片dp83848c的應(yīng)用.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010年第8期(3) w.richard st