嵌入式Modbus TCP通讯模块设计

发布时间：2012-05-11 14:26　　　类型：应用案例　　　人浏览

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 TCP

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^①。

二、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1

CPU通过PHY向以太网总线传输Modbus TCP数据，向RS232或RS485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。

三、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10／100 Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持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10BASE～T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^②。

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者通孔，同时，差分线应尽可能走在一面。

四、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，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 xxx 1 xxxxx xxx	Modbus TCP从站模式 Modbus TCP主站模式
x 00000 xxx ～ x 11111 xxx	IP：192.168.1.0～192.168.1.31，同时也是串口RTU地址
x xxxxx 000 ～ x xxxxx 111	波特率设置：2400，4800，～，115200，230400 bps

4.2 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TCP/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^③。

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Modbus 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。

五、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

(1) 王啸东PLC网络化控制系统设计.河南科技 2011年07期

(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 Stevens TCP/IP详解卷1:协议.机械工业出版社 (2000-04出版)

李广勇,1982年9月22日出生，30岁，男，汉族，硕士学位，中级工程师，研究方向嵌入式系统及应用开发，目前工作于南京南大傲拓科技有限公司，具体地址：南京市江宁区清水亭西路199号一号楼。邮政编码：210012，联系电话：13675186185

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