嵌入式MODBUSTCP通讯模块设计

1、嵌入式modbus tcp通讯模块设计embedded modbus tcp communication module design李广勇 guangyong li（南大傲拓科技有限公司，江苏 南京，210012）(nanda auto technology co.ltd,jiangsu,nanjing,210012)摘要：本文迎合plc应用网络化发展的需求，提出一种基于嵌入式的modbus rtu转modbus tcp协议转化的通讯模块设计方法，该设计能简单、低成本、便捷、可靠的把现有支持modbus rtu协议的plc应用于以太网互联。关键字：plc；modbus rtu；modbus t

2、cp中图分类号：tp23 文献标识码：a 文章编号：一、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

3、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。2、 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100 mhz。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：图1cpu通过phy向以太网总线传输modbus tcp数据，向rs232或rs

4、485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10100 mbps单路物理层(phy)器件。它支持

5、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10baset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。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。图2 lpc1758和dp83848c之间的接口电路图3 dp83848c驱动输出隔离电路 pcb布局方面，精度为1的电阻和100 nf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

6、者通孔，同时，差分线应尽可能走在一面。4、 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 模块配置表1 拨码功能配置表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

7、，串口rtu地址，波特率。如表1所示：8位拨码配置功能说明0 xxxxx xxx1 xxxxx xxxmodbus tcp从站模式modbus tcp主站模式x 00000 xxx x 11111 xxxip：192.168.1.0192.168.1.31，同时也是串口rtu地址x xxxxx 000 x xxxxx 111波特率设置：2400，4800，115200，230400 bps4.2 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tc

8、p/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。图4 tcp的状态变迁图 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modbus rtu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m

9、odbus 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

10、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利用串口对通讯模块设置通讯请求的从站信息（ip地址等）。在不改变硬件的基础之上，通过软件升级，可以把模块功能更加完善。比如：满足通讯模式一主多从、一从多主、以及自定义通讯的现场应用需求。同时本文提出的思路也可以作为一种通用方案，推广到类似的产品开发中。参考文献窗体顶端(1) 王啸东plc网络化控制系统设计.河南科技 2011年07期窗体底端(2) 宋鑫,郭勇,谢兴红 rmii模式以太网phy芯片dp83848c的应用.单片机与嵌入式系统应用,2010年第8期(3) w.richard st