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| V1.0 | 2020-07-09 | gingko | 初次建立 |
===== 实验二十六：MODBUS TCP实验——电源监控 =====
==== 一、 实验目的与意义 ====
- 了解MODBUS TCP结构。
- 了解MODBUS TCP特征。
- 掌握MODBUS TCP的使用方法。
- 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====
- iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
- JLINK（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
- Micro USB线缆。
- 网线。
- 路由器及供电电源。
- Keil MDK 开发平台。
- 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
==== 三、 实验原理 ====
===
1、Modbus TCP通信概述 ===
* MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品，显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中MODBUS报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s，I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。
* MODBUS/TCP使MODBUS_RTU协议运行于以太网，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太网在站点间传送MODBUS报文，MODBUS TCP结合了以太网物理网络和网络标准TCP/IP以及以MODBUS作为应用协议标准的数据表示方法。MODBUS TCP通信报文被封装于以太网TCP/IP数据包中。与传统的串口方式，MODBUS TCP插入一个标准的MODBUS报文到TCP报文中，不再带有数据校验和地址。
* Modbus TCP传输过程中使用了TCP/IP以太网参考模型的5层：
* 第一层：物理层，提供设备物理接口，与市售介质/网络适配器相兼容
* 第二层：数据链路层，格式化信号到源/目硬件址数据帧
* 第三层：网络层，实现带有32位IP址IP报文包
* 第四层：传输层，实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度
* 第五层：应用层，Modbus协议报文
* Modbus/TCP的通信系统可以包括不同类型的设备。所有连接到Modbus/TCP通讯网络的设备都通过Modbus事务报文来实现Modbus客户端和服务器端之间的通讯任务。而Modbus客户端和服务器TCP/IP网关则实现了将在串行链路上的Modbus通讯设备连入到Modbus/TCP通讯网络。如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_1.png?direct |}}
* Modbus在TCP/IP上使用专用报文头识别Modbus应用数据单元。这种报文头成为MBAP报文头。Modbus在TCP/IP网络上的应用数据单元如图所示。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_2.png?direct |}}
=== 2、Modbus TCP的功能代码 ===
* 按照使用的通途区分，共有3种类型分别为：
* （1）公共功能代码：已定义好功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可；
* （2）用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用唯一性,如变为公共代码，需交RFC认可；
* （3）保留功能代码，由某些公司使用某些传统设备代码，不可作为公共用途。
* 按照应用深浅，可分为3个类别：
* （1）类别0，客户机/服务器最小可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。
* （2）类别1，可实现基本互易操作常用代码：读线圈(fc.1)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。
* （3）类别2，用于人机界面、监控系统例行操作和数据传送功能：强制多个线圈(fc.15)；读通用寄存器(fc.20)；写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。
* 本实验使用的03功能码读取保持寄存器中的数据。
=== 3、LAN8720A简介 ===
* LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_3.png?direct |}}
* LAN8720A是低功耗的10/100M以太网PHY层芯片，I/O引脚电压符合IEEE802.3-2005标准，支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10-BASE-T/100BASE-TX全双工传输模块，支持10Mbps和100Mbps。
* LAN8720A可以通过自协商的方式与目的主机最佳的连接方式(速度和双工模式)，支持HPAuto-MDIX自动翻转功能，无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接。LAN8720A的主要特点如下：
* 高性能的10/100M以太网传输模块
* 支持RMII接口以减少引脚数
* 支持全双工和半双工模式
* 两个状态LED输出
* 可以使用25M晶振以降低成本
* 支持自协商模式
* 支持HPAuto-MDIX自动翻转功能
* 支持SMI串行管理接口
* 支持MAC接口
=== 4、原理图 ===
* iCore4带有lan8720a嵌入式以太网控制器，本实验实现MODBUS TCP功能。MODBUS是开放协议，IANA给协议赋予TCP端口502，iCore4的IP地址为192.168.0.10，PC的IP地址为192.168.0.2，在建立客户端与服务器之间的TCP连接后，MODBUS即可通信。实验原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_4.png?direct |}}
==== 四、 实验程序 ====
=== 1、主函数 ===
int main(void)
{
system_clock.initialize(); //系统时钟初始化
led.initialize(); //LED初始化
adc.initialize(); //ADC初始化
delay.initialize(216); //延时初始化
my_malloc.initialize(SRAMIN); //动态内存初始化
usart6.initialize(115200); //串口波特设置
usart6.printf("\033[1;32;40m"); //设置字体终端为绿色
usart6.printf("\r\nHello, I am iCore4!\r\n\r\n"); //串口信息输出
OSInit(); //UCOS初始化
while(lwip.initialize()) //lwip初始化
{
LED_RED_ON;
usart6.printf("\r\nETH initialize error!\r\n\r\n");//ETH初始化失败
}
modbus.initialize(); //modbus初始化
OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
OSStart(); //开启UCOS
}
=== 2、开始任务 ===
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr;
pdata = pdata ;
OSStatInit(); //初始化统计任务
OS_ENTER_CRITICAL(); //关中断
OSTaskCreate(led_task,(void*)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],LED_TASK_PRIO);//创建LED任务
OSTaskCreate(display_task,(void*)0,(OS_STK*)&DISPLAY_TASK_STK[DISPLAY_STK_SIZE-1],DISPLAY_TASK_PRIO); //显示任务
OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); //挂起start_task任务
OS_EXIT_CRITICAL(); //开中断
}
=== 3、LwIP初始化 ===
//LWIP初始化(LWIP启动的时候使用)
//返回值:0,成功
// 1,内存错误
// 2,LAN8720初始化失败
// 3,网卡添加失败.
u8 lwip_comm_init(void)
{
OS_CPU_SR cpu_sr;
struct netif *Netif_Init_Flag; //调用netif_add()函数时的返回值,用于判断网络初始化是否成功
struct ip_addr ipaddr; //ip地址
struct ip_addr netmask; //子网掩码
struct ip_addr gw; //默认网关
if(lan8720.memory_malloc())return 1; //内存申请失败
if(lwip_comm_mem_malloc())return 1; //内存申请失败
if(lan8720.initialize())return 2; //初始化LAN8720失败
tcpip_init(NULL,NULL); //初始化tcp ip内核,该函数里面会创建tcpip_thread内核任务
lwip_comm_default_ip_set(&lwipdev); //设置默认IP等信息
#if LWIP_DHCP //使用动态IP
ipaddr.addr = 0;
netmask.addr = 0;
gw.addr = 0;
#else //使用静态IP
IP4_ADDR(&ipaddr,lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
IP4_ADDR(&netmask,lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1] ,lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
IP4_ADDR(&gw,lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
usart6.printf("网卡en的MAC地址为:................%d.%d.%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.mac[0],lwipdev.mac[1],lwipdev.mac[2],lwipdev.mac[3],lwipdev.mac[4],lwipdev.mac[5]);
usart6.printf("静态IP地址........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
usart6.printf("子网掩码..........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1],lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
usart6.printf("默认网关..........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
#endif
Netif_Init_Flag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,ðernetif_init,&tcpip_input);//向网卡列表中添加一个网口
#if LWIP_DNS
dns_init();
#endif
if(Netif_Init_Flag==NULL)return 3;//网卡添加失败
else//网口添加成功后,设置netif为默认值,并且打开netif网口
{
netif_set_default(&lwip_netif); //设置netif为默认网口
netif_set_up(&lwip_netif); //打开netif网口
}
return 0;//操作OK.
}
=== 4、MODBUS初始化 ===
static INT8U modbus_socket_init(void)
{
INT8U res;
OS_CPU_SR cpu_sr;
OS_ENTER_CRITICAL(); //关中断
res = OSTaskCreate(modbus_task,(void*)0,(OS_STK*)&MODBUS_TASK_STK[MODBUS_STK_SIZE-1],MODBUS_PRIO); //创建TCP服务器线程
OS_EXIT_CRITICAL(); //开中断
return res;
}
=== 5、MODBUS任务 ===
static void modbus_task(void *arg)
{
int modbus_sock, size;
struct sockaddr_in address, remotehost;
while(1)
{
/* 创建一个TCP套接字 */
if ((modbus_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
{
usart6.printf("can not create socket\r\n");
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0);
continue;
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_port = htons(502); // mosbus tcp端口
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(modbus_sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof (address)) < 0)
{
usart6.printf("can not bind socket\r\n");
closesocket(modbus_sock);
close(modbus_sock);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0);
continue;
}
/* 监听传入的连接 */
listen(modbus_sock, 1);
size = sizeof(remotehost);
modbus_conn = accept(modbus_sock, (struct sockaddr *)&remotehost, (socklen_t *)&size);
if (modbus_conn >= 0)
{
closesocket(modbus_sock);
close(modbus_sock);
usart6.printf("connect socket\r\n");
modbus_tcp_server(modbus_conn);
}
else
{
close(modbus_sock);
close(modbus_conn);
}
}
}
==== 五、 实验步骤 ====
- 把仿真器与iCore4的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
- 将跳线冒插在USB UART；
- 把iCore4（USB UART）通过Micro USB线与计算机相连，为iCore4供电；
- 设置电脑IP；（设置方法见附录1）
- 把iCore4网口通过网线与计算机网口相连；
- 打开Modbus Poll；(Modbus Poll安装方法及使用方法见附录2)
- 打开Keil MDK 开发环境，并打开本实验工程；
- 烧写程序到iCore4上；
- 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑。
==== 六、 实验现象 ====
* 电源监控如下图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_5.png?direct |}}
==== 附录1： ====
1、打开控制面板—→网络和Internet—→网络和共享中心—→更改适配器设置—→以太网—→属性
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_6.png?direct |}}
2、Internet协议版本4—→选择使用下面的IP地址（如下图所示），然后更改IP地址和默认网关
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_7.png?direct |}}
==== 附录2： ====
1、选择相应的位（32 位或 64 位）双击，NEXT—→NEXT—→Install—→NEXT—→Finished.\\
2、打开Modbus Poll，点击Connection—→connect，输入SN.txt中的序列号。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_8.png?direct |}}
3、按下图进行设置，点击 OK 即可。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_9.png?direct |}}