嵌入式Modbus TCP通讯模块设计

嵌入式嵌入式 Modbus TCP 通讯模块设计通讯模块设计 PLC Modbus RTU Modbus TCP 1 引言引言 Modbus 应用层协议由美国 Modicon 公司 现为施耐德电气旗下品牌 于 1979 年开发的 用于实现其 PLC 产 品与上位机的通信 由于其简单易用 得到了广大工业自动化仪器仪表企业的采纳与支持 实际上已成为了 业界标准 Modbus 协议包括 ASCII RTU TCP 等 这些年来 随着 PLC 的不断发展 网络通讯功能要求 越来越高 一方面 网络化 集成化的要求 使得 PLC 需要越来越多的接入到计算机监控网络中 作为网络的 一个节点 另一方面 智能仪表应用越来越广 因此要求 PLC 具备较多的现场总线接口 能直接与智能仪表进 行通讯 鉴于此 1999 年施奈德电气发布了 Modbus TCP 协议 使得以太网上的 Modbus 设备可以通过 502 端口进行通信 1 2 模块总体设计模块总体设计 本模块采用基于 Cortex M3 内核的新一代 ARM LPC1758 为 CPU 主控芯片 工作频率为 100MHz 它内置 高速存储器 高达 512K 字节的闪存和 64K 字节的 SRAM 丰富的增强 I O 端口和联接到两条 APB 总线的 外设 同时集成多个标准和先进的通信接口 I2C SPI I2S SDIO USART USB Host Device OTG CAN Ethernet MIC 等 本模块硬件结构如图 1 所示 CPU 通过 PHY 向以太网总线传输 Modbus TCP 数据 向 RS232 或 RS485 总线传输 Modbus RTU 数据 考虑工业现场应用 串口接口和 LAN 接口均需要隔离 才能保证电气上 可靠稳定 支持 ISP 下载 便于模块 生产 JTAG 只有在研发调试时用到 拨码配置主要配置工作模式 IP 地址 波特率 3 硬件设计硬件设计 CPU LPC1758 芯片自身并不集成以太网 PHY 而提供了使用 RMII 简化的媒体独立接口 协议和片上 MIIM 媒体独立接口管理 串行总线 还有 MDIO 管理数据输入 输出 来实现与片外以太网 PHY 之间的连 接 本设计采用 DP83848C 物理层 PHY 芯片 它是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好 功能全 功 耗低的 10 100Mbps 单路物理层 PHY 器件 它支持 MII 介质无关接口 和 RMII 精简的介质无关接口 使 设计更简单灵活 同时 支持 10BASE T 和 100BASE TX 以太网外设 对其他标准以太网解决方案有良好的 兼容性和通用性 2 图 2 为 LPC1758 和 DP83848C 之间的接口电路 图 3 为 DP83848C 驱动输出隔离电路 PCB 布局方面 精度为 1 的电阻和 100nF 的去耦电容应靠近 PHY 器件放置 并通过最短的路径到电源 两 对差分信号 TD 和 RD 应平行走线 避免短截 且尽量保证长度匹配 这样可以避免共模噪声和 EMI 辐射 理 想情况下 信号线上不应有交叉或者通孔 同时 差分线应尽可能走在一面 4 软件设计软件设计 本模块设计结构 从功能上可以设计成两种工作模式 Modbus TCP 从站模式 Modbus TCP 主站模式 Modbus TCP 从站模式 是把以太网总线 Modbus TCP 请求转化成串口总线 Modbus RTU 请求 也就是以太网 设备从 PLC 读出数据 Modbus TCP 主站模式 是把串口总线 Modbus RTU 请求转化成以太网 Modbus TCP 请求 也就是 PLC 从以太网设备读入数据 下面以 Modbus TCP 从站模式为例 4 1 模块配置模块配置 模块配置主要是通过 8 位拨码开关实现 通过这拨码开关配置模块的工作模式 以太网 IP 地址 串口 RTU 地址 波特率 如表 1 所示 4 2 以太网驱动开发以太网驱动开发 驱动开发包括两部份 芯片物理层驱动 MAC PHY 和 TCP IP 协议层驱动 芯片物理层驱动主要是对 LPC1758 的以太网控制器和 PHY 芯片的初始化和控制输入输出的函数化打包 以便供 TCP IP 协议层驱动 调用 TCP IP 协议层驱动开发需要参考 TCP IP 标准协议 下图 4 比较清晰明了的介绍 TCP IP 协议状态变 化图 3 对于从站模式 服务器模式 每一个 TCP 请求连接对应一组状态图 把这些状态归纳入一个结构体 然后 再创建结构体链表 系统程序通过维护监测链表 可以实现多客户端同时请求通讯 4 3 Modbus TCP 和和 Modbus RTU 协议开发协议开发 参考 Modbus TCP 和 Modbus RTU 协议标准 不难实现 PLC 与本模块的 Modbus RTU 以及本模块与外 部以太网设备的 Modbus TCP 数据通讯 然后在本模块程序内部完成数据包的 Modbus TCP 和 Modbus RTU 之间数据转换 采用透明传输方式 即把从一个端口接收出来的数据转换后立即从另一个端口输出去 Modbus TCP 相比 Modbus RTU 报文格式 多了六个字节的前缀 少了后面的 CRC 校验 它是采用 TCP IP 和 链路层 以太网 校验和机制来校验分组交换的准确性 4 4 模块状态监测模块状态监测 模块状态监测包括 系统运行状态 Modbus RTU 通讯状态 Modbus TCP 连接状态 通讯状态 以及通讯 异常报警 4 5 通讯测试通讯测试 实验平台采用 NA200 PLC 挂载本模块 然后通过网络交叉线和 PC 电脑相连 利用网上免费网络调试工 具 SocketTool2 进行通讯测试 先在 SocketTool2 建立客户端 然后连接 发送测试通讯数据十六进制 000000000006500600C90055 查看是否有数据返回 5 结束语结束语 本文设计的 Modbus TCP 通讯模块 能和现有 PLC 稳定连接 从成本 性能上都将是个比较好的选择 前文介绍的是以从站模式为例 对于主站模式 可以 PLC