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

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?yàn)楝F(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(jì)。

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?yàn)榫同F(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)我們所想要實(shí)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(jì)。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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹

實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)具有實(shí)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(jì)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(jì)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(yàn)證的結(jié)果可以表明，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)各項(xiàng)功均能基本實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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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