从0开始FreeModbus应用-chang原创.doc

从应用角度学习FreeModbus1、 前言 FreeModbus本身没有什么说明文档。网上已经有了一些介绍，有些是内核分析，很有深度；有一些是应用笔记，实际应用时可能会用到。作为一个新入，我并不想了解那么多。我只想按步就班地知道到底要怎样能够很快地用起来。收集了一些资料，花了一些时间才终于基本搞清楚了一个大概。下面我从新人应用的角度来谈谈，参考甚至抄摘了前人的文档。入手主要是FreeModbus-V1.5自带的AVR平台下的DEMO项目，适当考虑FREERTOS下的特点。2、 FreeModbus简介 （本节摘抄自“百度百科”的词条“FreeModbus”)FreeMODBUS一个奥地利人写的Modbus协议。它是一个针对嵌入式应用的一个免费（自由）的通用MODBUS协议的移植。Modbus是一个工业制造环境中应用的一个通用协议。Modbus通信协议栈包括两层：Modbus应用层协议，该层定义了数据模式和功能；另外一层是网络层。FreeMODBUS 提供了RTU/ASCII 传输模式及TCP协议支持。FreeModbus遵循BSD许可证，这意味着用户可以将FreeModbus应用于商业环境中。目前版本FreeModbus-V1.5提供如下的功能支持：表1 FreeModbus-V1.5功能支持代码描述是否支持备注Master主机否注意！我批注Slave从机是MB_RTURTU模式是MB_ASCIIASCII模式是MB_TCPTCP模式是0x01读线圈是0x02读离散输入是0x03读保持寄存器是0x04读输入寄存器是0x05写单个线圈是0x06写单个寄存器是0x07读异常状态否0x08诊断否0x0B获取事件计数器否0x0C获取事件记录否0x0F写多个线圈是0x10写多个寄存器是0x11报告从机ID是协议与文档不一致0x14读文件记录否0x15写文件记录否0x16屏蔽写寄存器否0x17读/写多个寄存器是0x18写FIFO否0x2B封装接口传输否0x2B/0x0DCANopen参考请求与应答否0x2B/0x0E读设备身份表示否3、 准备工作 下载FreeModbus-V1.5.0.zip，解压到当前文件夹。在当前文件夹下会生成“freemodbus-v1.5.0”目录。如果选择了解压到“freemodbus-v1.5.0”，则会形成两级“freemodbus-v1.5.0”，可以不管，也可用复制粘贴的方法删除一级。将此目录(或两级目录)改为“freemodbus_v1.5.0”，否则后面用AVRSTUDIO4.12编译时会出错。 下载ATMEL公司的AVRSTUDIO4.12并安装。再下载AVR的GCC编译器avr-toolchain-installer-3.3.0.710-win32.win32.x86.exe并安装，它会集成到AVRSTUDIO4.12中。 关于freemodbus和STUDIO工程，后面会结合freemodbus文件目录结构进一步介绍。继续准备。 下载并安装虚拟串口VSPD。 设置串口3与4互连（后面PROTEUS里面的硬件，串口设置为3；ModScan32主机软件，串口设置为4），如图所示： 下载并安装ModScan32包，绿色版里直接运行ModScan32.exe就行了。它可以当作ModBus主机，也可以查看收发的数据，起监测作用。连接设置：菜单-connection-connect，出现下面界面，按图设置：注意：串口是用的N,8,1的模式，没有校验位，原例子程序是需要有even偶校验位，后面会改原代码。因为总是模拟通不过，换这个就通过了，具体原因没有去找。再点“rotocol selection”，如下图设置： 报文设置： 菜单-setup-data define，然后如下图所示： 按上述连接并设置后，结果应出现类似下面的显示界面（如有不对，需设置数据格式等）： 上面是正常取得寄存器地址10001004的数据时的情况（从机正常返回）。现在没有PROTEUS仿真，肯定是没有正常返回的，应是下面的界面： 上面两幅图中，返回数据的寄存器是按31000的格式，因为这是3X系输入寄存器。用功能码04。从报文的角度，不用理会，仍认为是寄存器1000。下面会重点分析地址1000输入寄存器的细节。 为了监控串口4的进出数据，可以设置：菜单-setup-display options-show traffic，此时显示下面界面（注意，选择用HEX显示，也是在setup菜单下进行选择）：有黑色背景的是从串口4返回的（需有从机应答），没有背景的是本程序通过串口4 发出去的。发出去的一帧报文是0a 04 03 e7 00 04 40 c1，共8个字节。0a-device id 10，即从机地址，可以设置为1247；04-功能码04，为读INPUT REGISTER；03 e7-从机输入寄存器起始地址，即十进字999；00 04-寄存器个数为4个字（功能码04是针对字寄存器）；40 c1-CRC校验值。这里不辞辛苦将报文写出来，不是为了介绍报文，报文格式参见MODBUS标准。请关注寄存器起始地址，报文里寄存器的起始地址是999，比上述界面上的Address:1000少1。也即，这里主机的寄存器起始地址1000，可能的最小值是1，而报文的寄存器地址，可能的最小值是0。提前说一下，FreeModbus里需要我们编写的几个回读函数，其寄存器地址，也是从1开始的，报文里的地址需减1。言归正传，接着做准备工作。现在请下载并安装PROTEUS仿真软件。我这里的版本是7.8SP2。打开ISIS画原理图，如图所示： 注意，P1串口接口元件接收发送脚与单片机串口脚的连接关系，很多人搞不明白。从串口接口来看，其接收端和发送端是从具有这个串口的设备本身的角度来看的，比如，计算机具有的串口，其RXD脚是指计算机的接收脚。在这里，P1的RXD脚就是指这个从机的接收脚了，所以其意义是与单片机的RXD是一致的，于是它们连接在一起。虚拟终端V1，提供了一个在进行PROTEUS仿真时，可以直接与串口接口P1相连的设备。其相当于是一个独立的显示和输入终端，接收和发送脚是针对它自己而言的。其RXD接收脚可以接P1的RXD，意思是监控从机接收的数据；也可以接P1的TXD，意思是监控单片机发出去的数据。如果要从V1敲入报文，将V1当作主机，也是可以的，就不需要ModScan32程序，但是会比较麻烦，此时应将V1的发送脚TXD接P1的RXD脚。这个V1终端在这里不是必须的，这里主要用来监控单片机通过串口3（在P1里设置）接收和发送的数据。注意，应在PROTEUS运行时，点菜单-调试-Verture Terminal V1，显示出端口界面，在界面上右键再选中“Hex Display Mode”，否则，非显示字符是显示不出来的。用AVRSTUDIO联调是一样的设置。V1的属性设置如下： 单片机的设置如下： 注意两点：单片机型号和频率应和AVRSTUDIO项目中的设置一样；“Program File”是从机程序，这里是DEMO编译输出，可以是.HEX也可以是.COF等。P1的设置如下：4、 FreeModbus文件结构 . |- 主目录，注意下划线 |- 例子目录 | |- 基于AT91SAM7X_ROWLEY平台例子，未展开 | |- 基于ATSAM3S平台例子，未展开 | |- 基于ATSAM3S_FREERTOS平台例子，未展开 | |- 基于AVR平台例子 | | |- AVR硬件平台下与移植有关的目录 | | | |-mbcrc.c 适用于AVR和GNC的CRC程序，可减少RAM。注1 | | | |-port.h 头文件 | | | |-portevent.c 事件相关。注2。 | | | |-portserial.c 串口相关。 | | | |-porttimer.c 定时器相关。 | | |-demo.c 本文所主要分析的例程，main()所在。 | | |-excoils.c AVR下另一个例程，其main()所在。 | | |-makefile 本demo例程在GNC下的编译配置文件，用STUDIO时不用。 | | |-README.txt FREEMODBUS 0.4 AVR EXAMPLE说明文档。 | |- BARE平台例子，未展开。 | |- 其它平台例子，未展开。 |- 一些文本文档，未展开。 |- FreeModbus的主要目录。 | |- ascii模式有用的目录。 | | |-mbascii.c | | |-mbascii.h | |- | | |-mbfunccoils.c | | |-mbfuncdiag.c | | |-mbfuncdisk.c | | |-mbfuncholding.c | | |-mbfuncinput.c | | |-mbfuncother.c | | |-mbutils.c | |- | | |-mb.h | | |-mbconfig.h | | |-mbframe.h | | |-mbfunc.h | | |-mbport.h | | |-mbproto.h | | |-mbutils.h | |- rtu模式有用的目录 | | |-mbcrc.c 注1 | | |-mbcrc.h | | |-mbrtu.c | | |-mbrtu.h | |- tcp通讯下有用的目录 | | |-mbtcp.c | | |-mbtcp.h | |-mb.c mb.c文件中定义了一系列的宏定义、函数指针及全局变量， | 并使用优先编译指令预编译一些程序代码。 |- |-.注1：在.freemodbus_v1.5.0demoavrport目录和.freemodbus_v1.5.0modbusrtu目录中都有mbcrc.c，两者并不一样，虽然都可以使用，但后者是通用的，前者是专门针对AVR单片机优化过的，可以大大减少RAM占用量。注2：将报文接收到响应，分成若干状态，状态改变看作事件。 本文以AVR平台下的demo.c为例子来进行。5、 FreeModbus对硬件的需求在移植之前，先要简单考察一下自己的硬件跑不跑得动。（以下摘抄自“百度百科”的词条“FreeModbus”）FreeModbus协议对硬件的需求非常少基本上任何具有串行接口，并且有一些能够容纳modbus数据帧的RAM的微控制器都足够了。u 一个异步串行接口，能够支持接收缓冲区满和发送缓存区空中断。u 一个能够产生RTU传输所需要的t3.5字符超时定时器的时钟。对于软件部分，仅仅需要一个简单的事件队列。在使用操作系统的处理器上，可通过单独定义一个任务完成Modbus时间的查询。小点的微控制器往往不允许使用操作系统，在那种情况下，可以使用一个全局变量来实现该事件队列(Atmel AVR 移植使用这种方式实现)。实际的存储器需求决定于所使用的Modbus模块的多少。下表列出了所支持的功能编译后所需要的存储器。ARM是使用GNUARM编译器3.4.4使用-O1选项得到的。AVR项数值是使用WinAVR编译器3.4.5使用-Os选项编译得到的。表2 FreeModbus对硬件的需求ModuleARM CodeARM RAM(static)AVR CodeAVR RAM(static)Modbus RTU (Required)1132Byte272Byte1456Byte266ByteModbus ASCII (Optional)1612Byte28Byte1222Byte16ByteModbus Functions 11180Byte34Byte1602Byte34ByteModbus Core (Required)924Byte180Byte608Byte75BytePorting Layer (Required 2)1756Byte16Byte704Byte7ByteTotals7304Byte530Byte5592Byte398Byte1 实际大小决定于可支持的Modbus功能码的多少。功能码可以在头文件mbconfig.h中进行配置。2 决定于硬件。 以上摘抄自“百度百科”的词条“FreeModbus”。 AVR单片机MEGA168显然在硬件上是满足的。实际应用时，因为不可能只是一个modbus单独的实现，还要各其它的软硬件功能结合起来，所以还需考虑两点：1、 中断（主要是定时中断），与其它中断的优先级关系，以及各应用对开关中断的控制的时间点。特别是基于RTOS应用时。2、 ROM/RAM空间的需求，从AVR下的DEMO来看，用AVRSTUDIO4.12并安装GCC3.3.0.710，用-Os选项，实际所用ROM为5942byte，所用RAM为925byte（使用.freemodbus_v1.5.0modbusrtu目录下的mbcrc.c）。如下所示：AVR Memory Usage-Device: atmega168Program: 5942 bytes (36.3% Full)(.text + .data + .bootloader)Data: 925 bytes (90.3% Full)(.data + .bss + .noinit)Build succeeded with 3 Warnings. 改成使用.freemodbus_v1.5.0demoavrport目录下的mbcrc.c（其它不变），最大变化是RAM用量大大减少，与上表基本相符，如下所示： AVR Memory Usage - Device: atmega168 Program: 5946 bytes (36.3% Full) (.text + .data + .bootloader) Data: 413 bytes (40.3% Full) (.data + .bss + .noinit) Build succeeded with 3 Warnings. R