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        一種基于W5500的ModbusTCP服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計

        2018-05-14 17:42:32渠薇韓宗平姜久慧陶為戈潘瑜韓曉新
        江蘇理工學(xué)院學(xué)報 2018年2期

        渠薇 韓宗平 姜久慧 陸 毅 陶為戈 潘瑜 韓曉新

        摘 要:Modbus協(xié)議是由Modicon公司在1979年研發(fā)的一種完全開放免費(fèi)的總線通信協(xié)議,目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因為現(xiàn)在將Modbus/TCP傳輸協(xié)議投放于工業(yè)控制中是可行而方便的,并且它的幀格式較為簡單易懂,所以先是簡明扼要地介紹了Modbus/TCP規(guī)范以及以太網(wǎng)芯片W5500,最后給出了一個基于W5500的Modbus/TCP服務(wù)器的系統(tǒng)設(shè)計。

        關(guān)鍵詞:W5500;Modbus/TCP;服務(wù)器;控制系統(tǒng)

        中圖分類號:TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-7394(2018)02-0052-05

        近年以來,以太網(wǎng)方面的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日新月異,工業(yè)控制也已經(jīng)逐漸走向了集中監(jiān)控、集散控制的形式,并且以以太網(wǎng)為代表的通信技術(shù)正逐漸成為工業(yè)控制發(fā)展中的新興方向。[1]到如今,利用最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù),為工業(yè)控制器連網(wǎng)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。

        Modbus協(xié)議是屬于電子控制器上的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因為就現(xiàn)在來看,以太網(wǎng)通信具有價格低、穩(wěn)定性高和速率高等優(yōu)點(diǎn),所以就成為了應(yīng)用最廣而且最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一[2]。而不管現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域持續(xù)不斷產(chǎn)生怎樣先進(jìn)的概念,Modbus協(xié)議的簡單性使它能便于在許多通信媒體上實施應(yīng)用,從而成為了應(yīng)用最廣泛的工業(yè)協(xié)議。

        1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的 Modbus/TCP協(xié)議

        1.1 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議模型

        現(xiàn)在常見的工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型如圖 1所示[3]。

        目前有兩種重要的網(wǎng)絡(luò)參考模型:開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(OSI)七層參考模型和TCP五層參考模型。其中開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(OSI)七層參考模型是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂,而后者目前則是被國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)采用的一種通信模型。

        OSI參考模型共分為七層,分別是:

        (1)應(yīng)用層(英文縮寫為APDU);(2)表示層(英文縮寫為PPDU);(3)會話層(英文縮寫為SPDU);(4)運(yùn)輸層(英文縮寫為TPDU);(5)網(wǎng)絡(luò)層(報文);(6)數(shù)據(jù)鏈路層(以幀為單位);(7)物理層。

        1.2 Modbus/TCP通信協(xié)議模型

        當(dāng)我們在使用Modbus協(xié)議進(jìn)行有關(guān)通信時,此協(xié)議的作用是要能夠按地址識別發(fā)來的消息并判斷是否要讀取,再決定要產(chǎn)生出的怎樣的消息反應(yīng);如需要回應(yīng),應(yīng)產(chǎn)生反饋信息并通過協(xié)議發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈路層與物理層(見圖1)中常用IEEE802.3協(xié)議來執(zhí)行功能。而在網(wǎng)絡(luò)層采用了IP協(xié)議,在傳輸層采用了TCP協(xié)議。它通過三次握手來完成TCP協(xié)議的面向連接,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)報的傳輸。

        目前已知該通信協(xié)議比起其它協(xié)議具有以下幾個特點(diǎn)。

        (1)一直以來,Modbus協(xié)議都是讓用戶可以免費(fèi)獲取并且使用其作為通信協(xié)議的,內(nèi)容都是完全公開發(fā)布的。

        (2)Modbus協(xié)議是能夠與多種接口適配并且使用的,例如RS485接口、TCP/IP接口等等,應(yīng)用廣泛;還可以使用多種介質(zhì)進(jìn)行傳輸,如紅外、雙絞線、光纖等等。

        (3)在Modbus協(xié)議里用來流通的幀的格式較為簡單,方便人們理解和使用,廠商也容易開發(fā)和集成,方便形成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

        所以雖然Modbus協(xié)議已經(jīng)發(fā)展到了極為成熟的階段,但仍是最為普及的通信方式之一,模型如圖2所示。

        1.3 客戶端 / 服務(wù)器模式

        在使用Modbus/TCP報文來進(jìn)行各種服務(wù)時大多會采用一種客戶端/服務(wù)器的形式來進(jìn)行信息交換與傳輸(但有時也會用于構(gòu)建主/從架構(gòu)),而此時所使用的報文模式就基于以下的四種報文類型[4]:

        (1)Modbus請求;

        (2)Modbus確認(rèn);

        (3)Modbus指示;

        (4)Modbus響應(yīng)。

        該通信模式框圖如圖 3所示。

        1.4 以太網(wǎng)芯片W5500

        以太網(wǎng)芯片W5500是目前在市面上推出的一款較新的以太網(wǎng)芯片之一,它的性能很高,其內(nèi)部有能夠同其他許多硬件相結(jié)合的全硬件的TCP/IP協(xié)議棧。它能更簡易地實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的一些連接方案,不僅非常方便可靠,而且還有安全性高以及速度快等優(yōu)點(diǎn)。我們將系統(tǒng)與W5500以太網(wǎng)芯片相結(jié)合,并將完整的Modbus協(xié)議棧移植到了里面,從而實現(xiàn)了Modbus /TCP協(xié)議的通信功能。

        已知W5500的TCP/IP協(xié)議棧是可以支持TCP、UDP等多種協(xié)議的。我們在使用W5500芯片的時候,只需要使用簡單的Socket編程語句就可以實現(xiàn)我們所想要實現(xiàn)的一些以太網(wǎng)的應(yīng)用[5]。用戶能夠自己在應(yīng)用時使用這種芯片來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的配置,由于在以太網(wǎng)芯片W5500中已經(jīng)存在了TCP/IP協(xié)議棧,所以使用W5500芯片比起其他的方案更加的簡單、方便。

        通過W5500芯片所提供的外設(shè)接口,我們能夠?qū)⑵涓玫嘏c外設(shè)結(jié)合起來,從而完成這方面的設(shè)計。并且,W5500芯片是使用了新型的SPI協(xié)議,這種協(xié)議性能較為高效,所以能夠達(dá)到高達(dá)80MHz的速率,體現(xiàn)了它的速率快的特點(diǎn),并且能很好地且較為平穩(wěn)地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的高速運(yùn)行。W5500芯片還提供了兩種模式來讓客戶能夠有選擇更合適的模式:一是網(wǎng)絡(luò)喚醒(WOL)模式,二是掉電模式 [6] ,這是為了減少系統(tǒng)的功耗。

        2 系統(tǒng)介紹與實驗分析

        2.1 服務(wù)器端軟件設(shè)置

        基于Modbus協(xié)議的在使用時具有傳輸實時性好以及可靠性等優(yōu)點(diǎn)。又由于以太網(wǎng)資源應(yīng)用廣泛,而Modbus協(xié)議對何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不做要求,故系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò),并將TCP/IP作為傳輸協(xié)議,以Modbus協(xié)議作為通信協(xié)議[7]。

        本實施例部分包括:以太網(wǎng)芯片W5500、Modbus協(xié)議模塊、Socket編程模塊(見圖4)。

        在主函數(shù)中,調(diào)用Socket狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)Modbus /TCP。但在這之前,要對W5500以及Modbus協(xié)議棧進(jìn)行初始化配置,其步驟如下:

        (1)注冊W5500SPI接口回調(diào)函數(shù);

        (2)W5500Socket收發(fā)寄存器大小的初始化;

        (3)W5500網(wǎng)絡(luò)初始化,主要配置的有網(wǎng)關(guān)地址、IP地址等等;

        (4)MCU SPI接口初始化;

        (5)FreeModbus的初始化和使能,等等。

        2.2 實驗環(huán)境介紹

        實驗是設(shè)計一種基于W5500的Modbus TCP服務(wù)器系統(tǒng),其包括:以太網(wǎng)芯片W5500、Modbus協(xié)議模塊、Socket編程模塊等。

        若開發(fā)板是服務(wù)器,電腦網(wǎng)絡(luò)軟件就是可以作為客戶端來使用,所以選擇協(xié)議類型為:TCP_Client??蛻舳诵枰B接服務(wù)器,也就需要服務(wù)器的 ip,再次填寫ip,這個網(wǎng)絡(luò)參數(shù),在實驗的時候,可以自己設(shè)置。服務(wù)器的端口號為5000(這是要看你的具體設(shè)備屬性的),如果要改變端口號的話,要注意使用修改后的端口號,在這里就用5000為端口號。設(shè)置好上面的 3 個參數(shù)后,點(diǎn)擊連接。觀察窗口如圖5所示。

        2.3 實驗結(jié)果與分析

        在測試過程中,采用了工程現(xiàn)場常用的、專業(yè)的抓包工具軟件Wireshark,來對實驗效果來進(jìn)行進(jìn)行測試[8],假設(shè)我們使用的PC機(jī)用來作為客戶機(jī),設(shè)置實驗下載了系統(tǒng)的W5500芯片的部分作為服務(wù)器來使用,在此處將IP地址設(shè)為192.168.0.60,子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0(子網(wǎng)掩碼在各個PC機(jī)上大多數(shù)都是相同的,所以基本上是不會變的),網(wǎng)關(guān)地址設(shè)置為192.168.0.1??蛻魴C(jī)IP地址設(shè)為192.168.0.40,而在這里只要設(shè)置的客戶機(jī)的IP地址與服務(wù)器的IP地址在同一個網(wǎng)段就可以,子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址設(shè)置與服務(wù)器相同。在經(jīng)過了一段時間的測試網(wǎng)絡(luò)連接與觀察抓包數(shù)據(jù)后,解決了一些連接和抓取時的問題,最終所測試出來的客戶端的情況是:讀取數(shù)據(jù)基本正確、刷新也十分及時,并沒有出現(xiàn)超時等異常的情況,可以進(jìn)行正常的以太網(wǎng)客戶端/服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā),表明了這款Modbus TCP服務(wù)器能夠較好地支持與客戶端的連接并正確讀取數(shù)據(jù),保持通信順暢。

        3 結(jié)語

        基于W5500的ModbusTCP服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計具有實時性、效率高等特點(diǎn)。介紹了Modbus/TCP協(xié)議的各個方面,以及此次需要用到的主要硬件部分也是主要的芯片W5500。設(shè)計出了一種基于Mobus/TCP的工業(yè)以太網(wǎng)的服務(wù)器系統(tǒng),而在研究協(xié)議內(nèi)容的基礎(chǔ)上,還詳細(xì)地介紹和設(shè)計了該服務(wù)器系統(tǒng)的各種框圖狀況、部件結(jié)構(gòu)等。觀察串口成功通信和成功抓包驗證的結(jié)果可以表明,本次設(shè)計的控制系統(tǒng)各項功均能基本實現(xiàn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 胡文翔,蔡政,郭偉瑋,等.面向RS-485控制網(wǎng)絡(luò)的Modbus協(xié)議擴(kuò)展及應(yīng)用[J].自動化儀表,2013,34(04):59-61+65.

        [2] 姜斌,劉彥呈,孫凡金,等.基于Modbus/TCP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].低壓電器,2007(13):30-33.

        [3] 徐銀生,王昕.基于以太網(wǎng)的Modbus/TCP協(xié)議的實時性研究[J].微計算機(jī)應(yīng)用,2007(12):1256-1259.

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        [5] 王廣維,張浩然.基于ARM和W5100的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2001 ,30(5):50-53

        [6] 黃大昌,丁力.單片機(jī)和硬協(xié)議棧的Modbus TCP通信方案[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016,16(6):17-20.

        [7] 鄭豐收,李艾華,王寶貴.基于MODBUS和TCP/IP協(xié)議的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國儀器儀表,2011(10):53-56.

        [8] 俞野秋,陳堅.Modbus和Modbus-TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換研究[J].儀表技術(shù),2013(01):28-31.

        A ModbusTCP Server System Based on W5500

        QU Wei ,HAN Zong-Ping,JIANG Jiou-Hui ,LU Yi ,TAO Wei-Ge,PAN Yu,HAN Xiao-Xin

        (School of Electricity and Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China)

        Abstract: The Modbus protocol, a fully open and free bus communication protocol developed by Modicon company in 1979, has been widely used in the industrial field and has been widely used in the field of [1]. Because it is feasible and convenient to put Modbus/TCP transport protocol in industrial control now, and its frame format is simple and easy to understand, so in this paper, the Modbus/TCP specification and Ethernet chip W5500 are introduced briefly and briefly. Finally, a system design of Modbus/TCP server based on W5500 is given.

        Key words: W5500; Modbus/TCP; server; control system

        責(zé)任編輯 張志釗

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