二十五、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜Modebus TCP Server示例＞

1 前言

  Modbus TCP协议是一种广泛应用于工业自动化、楼宇自控、能源管理等领域的数据通信协议。它基于TCP/IP网络，将Modbus协议封装在TCP/IP协议栈中，使用以太网作为物理层，通过TCP连接来实现设备之间的通信。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网Modbus TCP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是Modbus TCP？

  Modbus TCP实质上是Modbus协议（或Modbus RTU）在以太网TCP/IP网络上的运行。像Modbus RTU一样，Modbus TCP也采用客户端/服务器原理，但在这种情况下，客户端（主设备）会启动来自服务器（从设备）的请求和响应。任何设备都可以成为客户端或服务器。

  Modbus TCP不需要计算校验和，因为较低层已经提供了校验和保护。它使用10 Mbps的以太网标准来传输Modbus消息的整个结构。Modbus TCP协议提供了在单个网络中的许多设备之间的快速通信。

2.2 Modbus TCP指令介绍

Modbus TCP协议的数据帧可以分为两部分：MBAP和PDU。

MBAP（Modbus应用协议报文头）：

  事务处理标识：一个递增的数字，每次发送消息递增一下，尽量不重复，因为占用2个字节，所以范围是：0~65535。
  协议标识：固定值0，表示Modbus TCP协议。
  长度：等于后面字段的长度。
  单元标识符：从机地址，也就是slave id。
PDU（协议数据单元）：

  功能码：Modbus规定了多个功能，每个功能都设定一个功能码。你要对从机做什么操作，那么就在这里设定好，从机读取到这个数据就知道要做什么。
  数据：对于主机来说就是想要操作从机寄存器里的哪些数据。

Modbus TCP协议中定义了多种功能码，包括：

  0x01：读线圈
  0x05：写单个线圈
  0x0F：写多个线圈
  0x02：读离散量输入
  0x04：读输入寄存器
  0x03：读保持寄存器
  0x06：写单个保持寄存器
  0x10：写多个保持寄存器
每种功能码对应的操作和数据格式都有所不同。

例如，功能码0x01用于读取线圈，请求格式为“MBAP 功能码 起始地址H 起始地址L 数量H 数量L”

响应格式为“MBAP 功能码 数据长度 数据”。

2.3 请求数据过程

在典型的Modbus TCP通信过程中：

1. Modbus TCP客户端（也称为主设备）向Modbus TCP服务器（也称为从设备）发送请求。这个请求包含功能码（指示要执行的操作类型），并且可能还包括数据地址和值，具体取决于功能码。
2. 收到请求后，Modbus TCP服务器根据功能码处理它。例如，如果功能码指示读取操作，服务器将访问其内存中的指定数据地址，并准备相应的数据以进行响应。
3. 然后，Modbus TCP服务器向客户端发送响应。这个响应包含功能码和请求的数据（对于读取操作）或对执行的操作的确认（对于写入操作）。
4. Modbus TCP客户端接收到服务器的响应，并根据需要处理数据。

2.4 Modbus TCP协议优点

MODBUS TCP协议的优点包括：

1. 灵活的网络拓扑结构：MODBUS TCP基于以太网通信，因此其网络拓扑结构更为灵活。从串行链路上一主多从的构造，演变为多客户端/多服务器端的构造模型。
2. 易于寻址：使用MODBUS TCP，主站设备（客户端）可以通过IP地址找到MODBUS从设备（服务器），并通过MODBUS网关连接到另一个MODBUS RTU网络。
3. 主从模式：MODBUS协议的工作原理是基于主从模式。在一个网络中，MODBUS协议通过主设备（客户端）和从设备（服务器）之间的请求-应答机制来交换信息。这种模式使得通信过程清晰且易于理解。
4. 开放性：MODBUS是一种开放的协议，这意味着它可以被任何厂商的设备所支持，从而提高了设备间的互操作性。
5. 简单性：MODBUS协议简单易懂，易于实现和维护。
6. 高效性：MODBUS TCP协议在TCP/IP网络上运行，利用了TCP/IP协议的优点，如高效的数据传输、错误检测和修复等。

2.5 Modbus TCP应用场景

Modbus TCP协议的应用场景广泛，以下是一些主要的领域：

1. 工业自动化：Modbus TCP协议在工业自动化领域被广泛应用，特别是在智能制造和工业物联网中。它允许设备之间进行可靠的通信，以实现生产过程的自动化和控制。
2. 楼宇自动化：在楼宇自动化领域，Modbus TCP协议可以用于连接楼宇设备（如温度控制器、照明系统、安全系统等）以实现节能和舒适的室内环境。
3. 能源管理：在能源管理领域，Modbus TCP协议可以用于监测和控制系统中的能源使用。通过连接能源测量设备和控制系统，可以实现实时能源监测和优化控制，降低能源消耗并提高能源效率。
4. 过程控制：在过程控制领域，Modbus TCP协议可以用于连接传感器和执行器，以实现实时监控和控制。它可以应用于各种工业过程，如化工、制药、食品加工等。
5. 智能家居：在智能家居领域，Modbus TCP协议可以用于连接智能家居设备（如智能灯泡、智能插座、智能安防等）以实现家庭自动化和智能控制。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 Modbus TCP示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool
• Modbus Poll

硬件

• W5100S IO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）

• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：

  • RP2040 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：在modbus_tcp.c文件中引用对应的库文件。

第二步：宏定义常量和定义全局变量。

第三步：定义两个函数，包括一个1秒定时器回调函数（用于处理DHCP超时处理），一个设置网络地址函数。

第四步：主函数首先是对串口和SPI进行初始化以及链路检测。然后是设置W5100S的网络地址，首先使用DHCP的方式进行获取，失败后使用预设的静态IP地址。然后将LED GPIO的初始化。最后则是在主循环里面跑Modbus TCP状态机程序。

第五步：在状态机中，首先是打开一个TCP Server模式的socket，然后等待客户端连接。在连接成功之后，会等待客户端的请求信息，接收到请求信息之后，会对包内容解析并作出响应的操作以及回复。

/* main function */
int main