FreeMODBUS協(xié)議棧移植到AT32 MCU的方案設(shè)計(jì)

概述

Modbus是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)施耐德電氣）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。如今Modbus已成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。 ?

關(guān)于Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議使用的是主從的通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動(dòng)查詢和操作從設(shè)備。一般將主控設(shè)備方所使用的協(xié)議稱為Modbus Master，從設(shè)備方所使用的協(xié)議稱為Modbus Slave。典型的主設(shè)備包括工控機(jī)和工業(yè)控制器等；典型的從設(shè)備如可編程邏輯控制器（PLC）等。

MODBUS是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。 Modbus通訊物理接口可以選用串口（包括RS232、RS485等），也可以選擇以太網(wǎng)口等。 圖1. Modbus通信棧

MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域。

圖2. 通用Modbus幀

當(dāng)服務(wù)器對(duì)客戶機(jī)響應(yīng)時(shí)，它使用功能碼域來(lái)指示正常（無(wú)差錯(cuò)）響應(yīng)或者出現(xiàn)某種差錯(cuò)（稱為異常響應(yīng)）。需要管理超時(shí)，以便明確地等待可能不會(huì)出現(xiàn)的應(yīng)答。

圖3. Modbus事務(wù)處理（無(wú)差錯(cuò)） ? 圖4. Modbus事務(wù)處理（異常響應(yīng)）

MODBUS使用一個(gè)‘big-Endian’表示地址和數(shù)據(jù)項(xiàng)。這意味著當(dāng)發(fā)射多個(gè)字節(jié)時(shí)，首先發(fā)送最高有效位。例如，寄存器大小16-bit的值為0x1234，先發(fā)送的第一字節(jié)為0x12，然后為0x34。

MODBUS的數(shù)據(jù)模型以一系列具有不同特征表格上的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)。四個(gè)基本表格為：

表1. Modbus數(shù)據(jù)模型

MODBUS有三類功能碼：公共功能碼、用戶定義功能碼、保留功能碼。

公共功能碼是較好地被定義的功能碼，保證是唯一的、公開(kāi)證明的，具有可用的一致性測(cè)試。

圖5. 公共功能碼定義

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議。在同一時(shí)刻，只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)連接于總線，一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（最大編號(hào)為247）連接于同一個(gè)串行總線。Modbus通信總是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起。子節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，從不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)之間從不會(huì)互相通信。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起一個(gè)Modbus事務(wù)處理。

主節(jié)點(diǎn)以兩種模式對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)出Modbus請(qǐng)求：

1、單播模式，主節(jié)點(diǎn)以特定地址訪問(wèn)某個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)接到并處理完請(qǐng)求后，子節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)報(bào)文(一個(gè)'應(yīng)答')。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)必須有唯一的地址(1到247)，這樣才能區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)被獨(dú)立的尋址。

圖6. 單播模式

2、廣播模式，主節(jié)點(diǎn)向所有的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求。對(duì)于主節(jié)點(diǎn)廣播的請(qǐng)求沒(méi)有應(yīng)答返回。廣播請(qǐng)求一般用于寫(xiě)命令。所有設(shè)備必須接受廣播模式的寫(xiě)功能。地址0是專門(mén)用于表示廣播數(shù)據(jù)的。

圖7. 廣播模式

Modbus有兩種串行傳輸模式被定義：RTU模式（默認(rèn)）和ASCII模式。

圖8. RTU和ASCII模式的位序列

Modbus串行鏈路上所有設(shè)備的傳輸模式(和串行口參數(shù))必須相同。

有關(guān)Modbus實(shí)現(xiàn)和特性的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Modbus官網(wǎng)：https://modbus.org。 ?

關(guān)于FreeModbus協(xié)議棧

FreeMODBUS是一個(gè)針對(duì)通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。它提供了RTU/ASCII傳輸模式及TCP協(xié)議支持。FreeModbus遵循BSD許可證，這意味著用戶可以將FreeModbus應(yīng)用于商業(yè)環(huán)境中。目前FreeMODBUS只免費(fèi)提供了一個(gè)Modbus從機(jī)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧。該協(xié)議棧使用ANSI C編寫(xiě)，并且支持多個(gè)變量。 本應(yīng)用指南將介紹如何在AT32F435單片機(jī)上，通過(guò)FreeMODBUS協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)Modbus從機(jī)節(jié)點(diǎn)的主要功能，并提供基于AT32F43x_StdPeriph_Lib和FreeMODBUS協(xié)議棧的源代碼。如結(jié)合AT32-Comm-EV Board和AT-START Board可以方便快速的搭建起基于RS485的Modbus從機(jī)節(jié)點(diǎn)。 ?

關(guān)于Modbus Poll調(diào)試軟件

Modbus Poll是一個(gè)Modbus主機(jī)模擬器，支持Modbus RTU、ASCI、TCP/IP傳輸模式。它可以協(xié)助開(kāi)發(fā)人員調(diào)試Modbus從設(shè)備，測(cè)試和模擬Modbus協(xié)議的通信。通過(guò)多文檔界面接口，可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)Modbus從機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)域等。每個(gè)窗口可簡(jiǎn)單地設(shè)定從設(shè)備ID、功能碼、地址、長(zhǎng)度和輪詢間隔。支持Modbus數(shù)據(jù)模型的四個(gè)基本表格，支持Modbus的多個(gè)公共功能碼。

本應(yīng)用指南中將下載安裝Modbus Poll在PC機(jī)上作為Modbus主機(jī)，與AT-START Board（作為Modbus從機(jī)）通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485的模塊相連，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的、可測(cè)試的Modbus通信網(wǎng)絡(luò)。

AT32硬件準(zhǔn)備

硬件主要由AT32-Comm-EV Board和AT-START Board組成。

本應(yīng)用指南提供的demo使用到的外設(shè)資源有USARTTMR等，用戶可根據(jù)具體需要靈活配置和修改，使用RS232或RS485來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus物理層的連接。

圖9. AT32 Modbus結(jié)構(gòu)原理圖

AT-START Board

當(dāng)前提供例程基于AT-START-F435?？商峁┗赗S232的Modbus通信。

圖10. AT-START-F435 V1.0實(shí)驗(yàn)板

AT32-Comm-EV Board

可提供例程基于RS485的Modbus通信支持。

圖11. AT-START結(jié)合AT32-Comm-EV使用

將FreeModbus移植到AT32上

基礎(chǔ)工程準(zhǔn)備

下載最新版本BSP&PACK文件，按照其應(yīng)用指南進(jìn)行安裝及配置，本文檔及例程均基于AT32F4xx_StdPeriph_Lib_V2.x.x的BSP&PACK文件進(jìn)行開(kāi)發(fā)?？山栌胊t_start_f435文件夾下的temple工程來(lái)進(jìn)行修改，更改文件夾及工程名為freemodbus，并準(zhǔn)備在該工程內(nèi)添加FreeMODBUS源碼。

工程內(nèi)添加FreeModbus源碼

用戶需前往FreeMODBUS官網(wǎng)或Github上下載最新版源碼。源碼包解壓后，內(nèi)有如下文件。

本文及所有移植例程均基于freemodbus-v1.6版本進(jìn)行移植。

圖12. FreeMODBUS源碼文件

將源碼包解壓后，復(fù)制modbus文件夾和demoBAREport文件夾到前面的基礎(chǔ)工程freemodbus目錄下面，將port文件夾改名為modbus_port。如下圖所示。

圖13. freemodbus工程目錄

打開(kāi)工程文件，并按以下2個(gè)步驟添加到工程文件內(nèi)?？蓞⒖糀T提供的例程文件進(jìn)行添加。

1、添加modbus和modbus_port內(nèi)的所有.c文件（與tcp相關(guān)的除外）到工程項(xiàng)目?jī)?nèi)。

圖14. freemodbus工程的項(xiàng)目

2、需將添加的.c文件所對(duì)應(yīng)的.h文件的路徑添加到工程的文件夾設(shè)置內(nèi)。

圖15. freemodbus工程的文件夾設(shè)置

工程代碼的修改

1、修改“port.h”文件。在該文件中添加包含關(guān)于AT32 MCU的“at32f435_437.h”頭文件。補(bǔ)全用于互斥操作的開(kāi)關(guān)中斷宏定義。屏蔽掉關(guān)于TRUE、FALSE的宏定義，因在AT BSP的頭文件中已有定義，避免編譯出錯(cuò)。

2、修改“portserial.c”和“porttimer.c”文件。在該文件中添加關(guān)于USART和TMR外設(shè)的底層驅(qū)動(dòng)部分代碼。用戶可根據(jù)自己的硬件環(huán)境來(lái)自行修改，所以這里不進(jìn)行具體說(shuō)明，也可參考AT所提供的例程文件。

3、需特別注意的是，因USART寄存器DT的值里包含數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位，而FreeMODBUS源碼里在讀取USART接收的數(shù)據(jù)后，會(huì)把所有值都當(dāng)作數(shù)據(jù)位來(lái)處理而出錯(cuò)，這可能是和其他廠家的MCU有差異，所以這里需在“mbascii.c”文件中去修改源碼。具體可參考AT所提供的例程文件。

4、在工程中新建并添加“mbtask.c/.h”文件。該文件用于創(chuàng)建Modbus的通信任務(wù)（作從機(jī)）來(lái)調(diào)用FreeMODBUS協(xié)議棧的API層，并建立Modbus的數(shù)據(jù)模型（4個(gè)基本表格）用于與ModbusPoll（作主機(jī)）進(jìn)行模擬通信測(cè)試。 “mbtask.c/.h”文件中實(shí)現(xiàn)的調(diào)用管理：

保持寄存器的讀/寫(xiě)

輸入寄存器的讀取

線圈的讀/寫(xiě)

離散量輸入的讀取

“mbtask.h”文件中定義的Modbus數(shù)據(jù)模型和建立通信所需的參數(shù)：

表2. Modbus的配置參數(shù)

設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)

1、在“mbtask.c”文件中編寫(xiě)void modbus_task(void)函數(shù)去調(diào)用協(xié)議棧的API層，來(lái)實(shí)現(xiàn)modbus從機(jī)任務(wù)的功能。

2、在“main.c”文件中，由int main(void) 主函數(shù)去調(diào)用modbus_task()任務(wù)函數(shù)即可。

設(shè)備的測(cè)試

至此，官方例程移植完畢，編譯并下載，開(kāi)打與AT-Link相連的串口，可看到如下打印信息。 圖16. 串口打印信息

從打印信息可以看到，從設(shè)備已經(jīng)正常的運(yùn)行起來(lái)。

這時(shí)我們需要將此設(shè)備與上位機(jī)相連接，再打開(kāi)Modbus Poll軟件，模擬主設(shè)備來(lái)進(jìn)行單播通信，即發(fā)送請(qǐng)求并接收應(yīng)答。

1. 首先對(duì)Modbus Poll軟件進(jìn)行連接設(shè)置，選擇與從設(shè)備相同的傳輸模式（RTU Mode），并配置相應(yīng)串口的參數(shù)，也須與從設(shè)備相同。

圖17. Modbus Poll連接設(shè)置

2. 再對(duì)Modbus Poll軟件進(jìn)行讀寫(xiě)命令的定義，下面僅以功能碼03（讀保持寄存器）為例來(lái)講解，用戶可自行用同樣的方式測(cè)試其他功能碼。

圖18. Modbus Poll讀/寫(xiě)定義

3. 在Modbus Poll軟件的文檔界面中，可以看到已成功讀回保持寄存器的值，并與從設(shè)備的程序中初始化保持寄存器時(shí)的值一致，測(cè)試通過(guò)。

圖19. Modbus Poll文檔界面

審核編輯：黃飛

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