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1、嵌入式ModbusTCP通讯模块设计PLC/ModbusRTU/ModbusTCP1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
2、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ModbusTCP协议,使得以太网上的Modbus设备可以通过502端口进行通信[1]。2模块总体设计本模块采用基于Cortex-M3内核的新一代ARMLPC1758为CPU主控芯片,工作频率为100MHz。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、U
3、SBHost/Device/OTG、CAN、EthernetMIC等。本模块硬件结构如图1所示: CPU通过PHY向以太网总线传输ModbusTCP数据,向RS232或RS485总线传输ModbusRTU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。3硬件设计 CPULPC1758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
4、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10／100Mbps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,
5、图3为DP83848C驱动输出隔离电路。PCB布局方面,精度为1％的电阻和100nF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。4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:ModbusTCP从站模式,ModbusTCP主站模式。ModbusTCP从站模式,是把以太网总线ModbusTCP请求转化成串口总线Mo
6、dbusRTU请求,也就是以太网设备从PLC读出数据;ModbusTCP主站模式,是把串口总线ModbusRTU请求转化成以太网ModbusTCP请求,也就是PLC从以太网设备读入数据。下面以ModbusTCP从站模式为例。4.1模块配置 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。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
7、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]。 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。4.3ModbusTCP和ModbusRTU协议开发 参考ModbusTCP和ModbusRTU协议标准,不难实现P
8、LC与本模块的ModbusRTU以及本模块与外部以太网设备的ModbusTCP数据通讯。然后在本模块程序内部完成数据包的ModbusTCP和ModbusRTU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。ModbusTCP相比ModbusRTU报文格式,多了六个字节的前缀,少了后面的CRC校验,它是采
