智能网关开发与应用 课件 第9章 串行PLC设备的驱动开发

OpenWrt智能网关开发与应用第9章串行PLC设备的驱动开发本章内容导航01学习目标02西门子S7-200PLC介绍03PPI通信协议详解04软件设计开发：PPI协议实战05软件设计开发：S7-200驱动实现本章学习目标知识掌握目标深入理解并掌握PPI通信协议的核心原理与应用场景。掌握西门子S7-200PLC设备的驱动架构与开发流程。专业技能目标熟练使用PPI协议进行PLC通信，包括连接管理、数据读写与解析。使用C语言完成驱动开发，实现数据结构定义、函数封装与错误处理。在OpenWrt系统中进行驱动部署、调试与测试，确保程序稳定运行。综合素养目标提升问题解决能力，学会查阅资料、分析问题并独立攻克开发难点。增强动手实践能力，将理论知识转化为实际项目成果，知行合一。培养创新意识，探索串行设备驱动开发的新技术，拓展应用领域。9.1西门子S7-200PLC介绍了解串行通信PLC基础工业自动化控制系列课程什么是S7-200PLC？西门子S7-200PLC是一款整体式小型PLC，将CPU、I/O和电源集成在紧凑机壳内，适用于各种自动化控制场景。结构紧凑：体积小巧，是狭小空间应用的理想选择。功能强大：支持梯形图等多种语言，指令丰富。扩展性好：支持多种扩展模块，最多可扩展至248点I/O。通信灵活：内置RS-485接口，支持PPI、ModbusRTU等协议。应用广泛：适用于从简单继电器替代到复杂自动化系统。S7-200PLC产品特点结构紧凑小巧设计紧凑，适用于空间受限的应用环境，安装灵活。功能强大所有CPU型号均提供基本和优质的控制功能，满足工业需求。大容量存储拥有大容量程序和数据存储器，轻松应对复杂控制逻辑。杰出的实时响应对过程进行完全控制，确保了控制的质量、效率和安全性。易于使用配合STEP7-Micro/WIN软件，编程和调试过程简单直观。通信灵活集成RS-485接口，支持多种主流工业通信协议，组网方便。高速精确控制能够实现极其快速和精确的操作顺序和过程控制，满足高精度自动化生产要求。9.2PPI通信协议详解掌握主从式串行通信协议PLC通信技术系列课程PPI协议概述主从式通信模型主站（OpenWrt网关）主动发起请求，从站（PLC）被动响应。从站不能主动发起信息，确保了通信的有序性。灵活的网络规模支持多主多从架构，单网络中最多可容纳32个主站，满足复杂的工业控制网络需求。共享连接管理机制通过共享连接资源，多个主站可以高效复用从站的通信接口，提升了资源利用率。PPI协议帧结构分析字段名称缩写字段描述示例值开始定界符SD标志一帧的开始68H报文长度LE自DA到DU的字节数1BH重复长度LER与LE相同，用于校验1BH开始定界符SD再次标志帧的开始68H目的地址DA从站地址（站号*8）02H(站号2)源地址SA主站地址（站号*8）00H(通常为0)功能码FC指定操作(读6CH/写7CH)6CH目的服务存取点DSAP通常为32H32H源服务存取点SSAP通常为01H01H数据单元DU包含具体的命令参数和数据可变校验和FCS自DA至DU所有字节的异或和可变结束定界符ED标志一帧的结束16HPPI读命令分析（单条数据）固定部分(Byte1-21)命令的前21个字节构成了通信的基础模板，这部分内容在读取不同数据时通常保持不变。

起始符与长度：定义帧头和数据包长度地址信息：包含源地址、目标地址及单元标识符功能码：指定执行的操作类型（如读取）可变部分(Byte22-32)-核心配置区Byte22:读取长度(Length)指定读取单位：位(01)、字节(02)、字(04)、双字(06)Byte27:存储器类型(Type)指定存储区：I区(12)、Q区(13)、M区(14)、V区(15)Byte28-30:偏移量(Offset)具体地址计算：物理地址值×8(例如I0.0对应0x000000)Byte31-32:校验与结束Byte31为校验和，Byte32为固定结束符0x169.3软件设计开发基于PPI协议的驱动开发实战PPI协议深度解析解析通信帧结构，掌握数据交互原理与校验机制PLC驱动程序架构构建模块化驱动框架，实现高效稳定的数据读写代码实战与调试编写核心业务代码，解决常见通信异常问题PPI协议开发实战：基础函数地址偏移计算(ppi_get_addr_offset)intppi_get_addr_offset(char*addr){intoffset,num,bit;sscanf(addr,"%d.%d",&num,&bit);return(num*8+bit);//计算偏移}功能：将用户易读的地址格式（如"0.1"）转换为PPI协议内部所需的地址偏移量。校验和计算(ppi_check_sum)unsignedcharppi_check_sum(unsignedchar*d,intlen){unsignedcharsum=0;for(inti=0;i<len;i++)sum+=d[i];returnsum;//返回低8位校验和}功能：计算PPI报文中从DA到DU部分的累加校验和，确保数据传输的正确性。PPI协议开发实战：构建读命令ppi_get_read_msg.cunsignedchar*ppi_get_read_msg(unsignedcharstation,char*domain,...){staticunsignedcharmsg[PPI_READ_MSG_LEN];//1.初始化：复制固定模板并清空缓冲区memset(msg,0,sizeof(msg));memcpy(msg,msg_0_21,sizeof(msg_0_21));//2.设置从站地址(DA)msg[4]=station*8;//3.动态填充：存储区类型与地址偏移if(strncmp(domain,"I",1)==0){msg[27]=0x81;//存储器类型：I区}//4.计算校验和与结束符msg[31]=ppi_check_sum(msg+4,27);msg[32]=0x16;//结束符returnmsg;}核心功能解析参数输入与初始化接收站号、存储区域(I/Q/M/V)、地址偏移及数据类型，复制固定命令模板。动态字段填充根据输入动态设置从站地址(DA)、存储器类型标识及具体的地址偏移量。校验与封装自动计算LRC校验和并添加结束符(0x16)，返回完整的命令报文指针。PPI协议开发实战：主程序示例main.c-PPI通信主流程intmain(){//1.打开并配置串口(9600,偶校验,8N1)intfd=uart_open("/dev/ttyS1",9600,'E',8,1);//2.设置读取参数：站号2，读取I区的0.1位intstation=2;charaddr="0.1";//3.构建PPI读命令&4.发送命令charcmd=ppi_get_read_msg(station,"I",addr);uart_send(fd,cmd,PPI_READ_MSG_LEN);//5.接收响应&6.解析数据charbuf[1024]={0};uart_recv_within_timeout(fd,buf,sizeof(buf),&timeout);printf("I0.1=%d\n",buf[25]);//提取结果uart_close(fd);return0;}通信流程总结1.打开并配置串口2.构建PPI读命令帧3.发送命令至PLC4.接收并解析响应数据5.关闭串口释放资源核心逻辑提示：此流程是开发驱动read接口的基础，重点在于正确构建PPI协议帧和准确解析响应数据。驱动开发：定义私有数据结构drv_s7_200.c/**定义驱动私有数据结构*/typedefstruct_siemens_s7_200_drvdata{

intmFd;//串口文件描述符

intmStation;//PLC站号}siemens_s7_200_drvdata_t;mFd-串口文件描述符保存打开的串口设备句柄，所有的读写操作都通过此描述符进行，确保通信的唯一性。mStation-PLC站号标识目标PLC的逻辑地址，在构建PPI通信命令时作为寻址依据，支持多设备挂载。初始化与生命周期在open接口中完成初始化，贯穿整个驱动实例生命周期，在read/write中被复用。驱动开发：实现SimpleDeviceModel接口驱动接口函数功能描述siemens_s7_200_probe设备检测回调，为私有数据结构分配内存。siemens_s7_200_remove设备移除回调，释放私有数据结构占用的内存。siemens_s7_200_open初始化串口通信，打开指定串口并保存文件描述符。siemens_s7_200_close关闭设备与串口通信，释放串口资源。siemens_s7_200_pre读写操作预处理（如加锁）。siemens_s7_200_post读写操作后处理（如解锁）。siemens_s7_200_read核心数据读取接口，调用PPI协议完成数据解析。接口实现：probe&removesiemens_s7_200_probe接口intsiemens_s7_200_probe(void*pv){//分配私有数据结构内存drvdata=g_malloc0(sizeof(*drvdata));if(!drvdata)return-1;//挂载到设备配置结构体config->mPriv=drvdata;return0;}功能描述：为驱动的私有数据结构分配内存，并将其挂接到设备配置结构体中，实现资源初始化。siemens_s7_200_remove接口intsiemens_s7_200_remove(void*pv){drvdata=(drvdata_t*)config->mPriv;//释放私有数据结构内存g_free(drvdata);//清理设备配置指针config->mPriv=NULL;return0;}功能描述：释放私有数据结构占用的内存，并清理设备配置的mPriv指针，防止内存泄漏。接口实现：open&closesiemens_s7_200_open接口intsiemens_s7_200_open(void*pv){//1.获取设备配置参数(设备名、波特率等)//2.调用uart_open打开串口设备//3.保存文件描述符fd和站号到私有数据return0;//成功返回0，失败返回-1}功能说明根据配置文件中的参数（如串口名、波特率）初始化硬件连接，建立通信链路，并将关键句柄存储以便后续操作。siemens_s7_200_close接口intsiemens_s7_200_close(void*pv){//1.从私有数据中获取之前保存的fd//2.调用uart_close关闭串口设备//3.释放相关资源return0;}功能说明负责清理工作，关闭已打开的串口设备，释放占用的系统资源，确保设备安全退出。接口实现：pre&post钩子函数siemens_s7_200_pre(预处理)intsiemens_s7_200_pre(void*pv){LOGD("precalled\n");//TODO:加锁，防止多线程访问串口return0;}功能说明：在执行read操作之前被调用。主要用于线程安全控制（如加锁）或其他初始化工作，确保共享资源访问的互斥性。siemens_s7_200_post(后处理)intsiemens_s7_200_post(void*pv){LOGD("postcalled\n");//TODO:解锁，释放共享资源return0;}功能说明：在执行read操作之后被调用。通常与pre接口配合使用，进行解锁操作，释放之前占用的共享资源，保证程序健壮性。注：实际应用中，这两个接口通常成对出现，用于实现对共享资源（如串口）的互斥访问保护。接口实现：readsiemens_s7_200_read.cintsiemens_s7_200_read(voidpv,voidpriv){param_config_t*cfg=(param_config_t*)pv;charaddrin[32]={0};//1.构造PLC地址(e.g.I0.1)sprintf(addrin,"%s%s",cfg->mDomain,cfg->mAddr);//2.构建PPI读命令uchar*data=ppi_get_read_msg(station,domain,addr);//3.发送命令&4.接收响应uart_send(fd,data,len);uart_recv(fd,buf,sizeof(buf));//5.解析结果&6.返回snprintf(value,sizeof(value),"%d",buf[25]);memcpy(cfg->mStrResult,value,sizeof(value));return0;}参数解析与地址构造解析传入的域与地址信息，构造完整的PLC读取地址。PPI读命令构建调用ppi_get_read_msg函数，生成符合协议规范的读指令。串口数据收发通过私有数据中的串口句柄，发送命令并等待接收响应。响应解析与格式化从接收到的字节流中提取有效数据，并格式化为字符串。结果返回将最终解析结果回传给上层应用，完成一次读取闭环。驱动开发：导出与注册接口1.在头文件(peripherals.h)中导出接口//声明S7-200驱动的所有接口函数，使用extern"C"确保C++兼容#ifdef__cplusplusextern"C"{#endifintsiemens_s7_200_probe(void*pv);intsiemens_s7_200_remove(void*pv);intsiemens_s7_200_open(void*pv);intsiemens_s7_200_close(void*pv);intsiemens_s7_200_pre(void*pv);intsiemens_s7_200_post(void*pv);#ifdef__cplusplus}#endif2.在驱动数组(drv_manager.c)中注册接口statichandle_ops_tsDrvOps[]={{.protocol_type=PROTOCOL_TYPE_SIEMENS_S7_200,//驱动标识.probe=siemens_s7_200_probe,.remove=siemens_s7_200_remove,.open=siemens_s7_200_open,.close=siemens_s7_200_close,.pre=siemens_s7_200_pre,.post=siemens_s7_200_post,.read=siemens_s7_200_read},{PROTOCOL_TYPE_UNKNOWN,NULL,...}//结束标志};驱动开发：更新MakefileOpenWrtPackageMakefile(关键配置)#1.声明软件包依赖definePackage/$(PKG_NAME)CATEGORY:=LuCITITLE:=LucisupportforIIoTGatewayDEPENDS:=+libpthread+libserialportendef#2.定义编译规则(链接串口库)defineBuild/Compile$(MAKE)-C$(PKG_BU