Modbus_TCP_Server
本篇文章，我们将详细介绍如何在W5500芯片上面实现Modbus TCP协议。并通过实战例程，为大家讲解如何在W5500上使用Modbus TCP作为服务器，监听端口，与客户端进行通信。 该例程用到的其他网络协议，请参考相关章节。 例如DHCP，有关初始化过程，请参考Network install章节，这里将不再详述。
Modbus TCP简介
Modbus TCP是一种基于以太网的通信协议，它是经典Modbus协议的扩展。Modbus协议最初由Modicon公司在1979年开发，广泛应用于工业自动化系统，用于实现不同设备之间的数据通信。Modbus TCP结合了Modbus协议的简单性和以太网的高效性，是一种开放、标准化且广泛使用的工业通信协议。
Modbus TCP的基本原理
Modbus TCP使用TCP/IP协议栈进行通信，运行在OSI模型的传输层（TCP层）之上。设备之间通过以太网接口连接，数据通过TCP端口（通常是502端口）传输。
主从架构：
主机（Master）：主动发起请求的设备（通常是PLC或工业PC）。
从机（Slave）：响应主机请求的设备（如传感器、执行器、IO模块）。
数据传输：主机向从机发送请求，从机解析后执行相应操作，并返回结果。通信过程包括功能码、地址、数据值和错误校验等内容。
Modbus TCP的优势
- 开放性： 不需要支付许可证费用，广泛支持。
- 简洁性： 数据格式简单易懂，开发和维护成本低。
- 兼容性： 支持多种工业设备和系统。
- 实时性： 基于TCP/IP，通信速度快，延迟低。
- 可扩展性： 能够集成到基于以太网的工业网络中。
注意事项
- 通信可靠性：TCP连接可能存在断开或超时的情况，需要进行异常处理。
- 数据安全性： Modbus TCP本身不包含加密机制，可使用TLS等协议增加安全性。
- 设备地址： 每个从机需要唯一的单元标识符（Unit Identifier）。
- 网络配置：需正确设置IP地址、子网掩码和网关。 Modbus TCP因其高效性和兼容性，已成为工业物联网（IIoT）和工业4.0中不可或缺的一部分。
应用场景
接下来，我们了解下在W5500上，可以使用Modbus TCP协议完成哪些操作及应用呢？
- 工业自动化控制系统（PLC、SCADA等）： 通过与PLC和SCADA系统集成，W5500可以实现设备的实时监控与控制，支持生产线的参数调整、启动和停止等操作，同时能够采集传感器数据并上传至控制系统，用于分布式管理和优化工业流程。
- 智能楼宇自动化（HVAC系统、能源管理）：W5500可连接楼宇的HVAC设备，支持远程调节空调和通风系统，并采集电力、水、气等能耗数据，上传至能源管理系统，帮助优化楼宇能效。此外，还可集成智能照明和安防传感器，实现更智能的楼宇管理。
- 数据采集与监控（远程I/O模块、传感器网络）：通过远程I/O模块，W5500能够采集温度、压力、湿度等多种传感器数据，并实现远程监控与报警功能。采集的数据还能用于设备健康状态分析，支持预测性维护，提升设备可靠性。
- 工业设备互联（变频器、伺服驱动器）： W5500可与变频器、伺服驱动器等设备通信，实现参数调节和运行状态监控，支持高精度的运动控制和状态反馈。同时，作为中转站，它还能实现不同设备之间的互联互通，构建开放的工业互联生态。
Modbus TCP报文结构
Modbus TCP报文由以下几个部分组成：
- 事务处理标识符（2字节）： 用于标识请求与响应之间的配对。主机在请求中设置一个唯一的标识符，从机在响应中回传相同的值，方便主机识别对应的响应。
- 协议标识符（2字节）：通常为0x0000，表示该报文使用的是Modbus协议。
- 长度字段（2字节）：表示后续数据的字节数（不包括事务处理标识符和协议标识符）。
- 单元标识符（1字节）： 标识目标从机设备的地址。在Modbus TCP中，该字段通常用于区分逻辑设备。
- 功能码（1字节）：定义当前操作的类型（如读写寄存器等）。
- 数据部分（可变长度）： 包含具体的操作数据，例如寄存器地址、要读取或写入的值等。
Modbus TCP常用功能码
- 功能码 0x01：读取线圈状态， 用于读取从机设备中的一组线圈状态（0或1）。
- 功能码 0x02：读取离散输入,用于读取从机设备中的一组离散输入状态（只读，0或1）。
- 功能码 0x03：读取保持寄存器，通过远程I/O模块，W5500能够采集温度、压力、湿度等多种传感器数据，并实现远程监控与报警功能。采集的数据还能用于设备健康状态分析，支持预测性维护，提升设备可靠性。
- 功能码 0x04：读取输入寄存器，用于读取从机设备中的一组输入寄存器值（只读数据）。
- 功能码 0x05：写单个线圈， 用于写入从机设备中的一个线圈状态（设置为0或1）。
- 功能码 0x06：写单个寄存器，用于向从机设备中的一个保持寄存器写入数据。
- 功能码 0x0F：写多个线圈，用于同时写入从机设备中的多个线圈状态。
- 功能码 0x10：写多个寄存器，用于同时向从机设备中的多个保持寄存器写入数据。
实现过程
接下来，我们在W5500上实现Modbus TCP协议服务器模式：
步骤1：初始化并注册LED相关函数
user_led_init();
user_led_control_init(get_user_led_status, set_user_led_status);在程序初始化部分添加LED所使用的GPIO外设初始化和注册设置、获取LED状态的函数，用于在接收到特定的Modbus TCP数据时进行状态的显示。
user_led_control_init()函数如下：
void user_led_control_init(int (*get_fun)(void), void (*set_fun)(uint32_t))
{
if (get_fun != NULL && set_fun != NULL)
{
getUserLED_cb = get_fun;
setUserLED_cb = set_fun;
}
}user_led_control_init()为LED控制初始化函数，允许用户注册两个回调函数：一个用于获取LED状态，另一个用于设置LED状态。这些回调函数将在get_led_status()和set_led_status()函数中被调用。函数如下：
int get_led_status(void)
{
return getUserLED_cb();
}
void set_led_status(int32_t val)
{
setUserLED_cb(val);
}get_led_status()和set_led_status()为获取和设置LED状态的函数，get_led_status()函数调用注册的获取LED状态的回调函数，并返回其返回值。set_led_status()函数调用注册的设置LED状态的回调函数，并传入新的状态值。
步骤2：主循环调用do_Modbus()函数
while (1)
{
do_Modbus(SOCKET_ID);
}在循环中不断执行do_Modbus()函数的操作，用于处理Modbus TCP通信，根据套接字的不同状态执行相应的操作，包括监听连接请求、处理连接建立事件、接收和处理数据以及关闭连接等。
do_Modbus()内容如下：
void do_Modbus(uint8_t sn)
{
uint8_t state = 0;
uint16_t len;
getSIPR(lip);
state = getSn_SR(sn);
switch (state)
{
case SOCK_SYNSENT:
break;
case SOCK_INIT:
listen(sn);
if (!b_listening_printed)
{
b_listening_printed = 1;
printf("Listening on %d.%d.%d.%d:%d\r\n", lip[0], lip[1], lip[2], lip[3], local_port);
}
break;
case SOCK_LISTEN:
break;
case SOCK_ESTABLISHED:
if (getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON)
{
setSn_IR(sn, Sn_IR_CON);
printf("Connected\r\n");
getSn_DIPR(sn, rip);
port = getSn_DPORT(sn);
printf("RemoteIP:%d.%d.%d.%d Port:%d\r\n", rip[0], rip[1], rip[2], rip[3], port);
if (b_listening_printed)
b_listening_printed = 0;
}
len = getSn_RX_RSR(sn);
if (len > 0)
{
mbTCPtoEVB(sn);
}
break;
case SOCK_CLOSE_WAIT:
disconnect(sn);
break;
case SOCK_CLOSED:
case SOCK_FIN_WAIT:
close(sn);
socket(sn, Sn_MR_TCP, local_port, Sn_MR_ND); // Sn_MR_ND
break;
default:
break;
}
}首先，程序会获取本地IP地址和指定socket的状态，根据socket的状态，执行相应的操作。例如，如果socket处于监听状态，则开始监听；如果处于已建立连接状态，则处理接收到的数据。在处理已建立连接状态时，检查是否有新的连接请求，并打印连接信息（包括远程IP地址和端口号）。如果有接收到的数据，则调用mbTCPtoEVB()函数检查Modbus TCP数据并执行对应操作。mbTCPtoEVB()函数内容如下：
void mbTCPtoEVB(uint8_t sn)
{
if (MBtcp2evbFrame() != 0) // Frame received complete
{
if (pucASCIIBufferCur[0] == 0x01) // Check whether the device address is 0x01
{
if ((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1] == 0x05) // Write to a single device
{
if ((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4] == 0xff)
{
set_led_status(0);
printf("LED ON\r\n");
}
else if ((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4] == 0x00)
{
set_led_status(1);
printf("LED OFF\r\n");
}
send(sn, recv_data, recv_len);
}
else if ((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1] == 0x01) // Read Write to a single device
{
if (recv_data[recv_len - 1] != 0x01)
{
printf("len error!%x\r\n", recv_data[recv_len - 1]);
}
else
{
printf("Read OK!\r\n");
send_data[0] = recv_data[0];
send_data[1] = recv_data[1];
send_data[2] = recv_data[2];
send_data[3] = recv_data[3];
send_data[4] = 0x00;
send_data[5] = 0x04;
send_data[6] = 0x01;
send_data[7] = 0x01;
send_data[8] = 0x01;
send_data[9] = ~get_led_status();
send_len = 10;
send(sn, send_data, send_len);
memset(send_data, 0, send_len);
}
}
else
{
printf("error code!\r\n");
}
}
else
{
printf("address error!\r\n");
}
}
}mbTCPtoEVB()函数用于处理从Modbus TCP接收到的数据，根据数据内容执行相应的操作，包括写单个设备和读单个设备操作，并根据操作结果发送响应数据。比如在接收到一段Modbus TCP数据之后，首先会进行检查、比对，符合预设的值时，对LED进行开或关的状态设置，并打印相应的信息，再调用send()函数将接收到的数据原样发送回去。如果接收到的数据不符合预期，会打印相应的错误信息。
运行结果
请注意:
测试实例需要PC端和W5500处于同一网段。
烧录例程运行后，首先可以看到进行了PHY链路检测，然后打印了设置的网络地址信息，然后开始监听地址和端口号，信息如下图所示：
接着使用Modbus Poll工具进行Modbus测试：
首先按"F3"设置连接服务器参数，如下图所示
接着按"F8"设置读取参数并开启读取轮询，如下图所示
可以看到在不断读取LED状态。
接着我们设置LED的状态为打开，如下图所示：
可以看到LED成功打开，并且读取的LED状态已经更新为打开状态。
总结
本文讲解了如何在 W5500 芯片上实现 Modbus TCP 协议的服务器模式，通过实战例程展示了从初始化 LED 相关函数、主循环调用处理函数到解析处理接收到的报文的完整过程。文章详细介绍了 Modbus TCP 的概念、基本原理、优势、注意事项、应用场景、报文结构和常用功能码，帮助读者理解其在工业通信中的实际应用价值。
下一篇文章将讲解在 W5500 芯片上实现 HTTP_Server 与 NetBIOS 功能，解析如何通过 NetBIOS 名称访问 HTTP 服务器的网页内容，同时通过实战例程讲解具体实现步骤与要点，敬请期待！
