基于Modbus/TCP协议实现人机界面与下位机通信
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2020-07-26
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基于基于Modbus/TCP协议实现人机界面与下位机通信协议实现人机界面与下位机通信
在以通用伺服电机控制系统为下位机的基础上，开发了以实时内核μC/OSII、DSP、CPLD控制模块为核心的软
硬件平台。通过移植uIP协议栈到DSP，在通信应用层上将Modbus帧嵌入到TCP帧中，简单可靠地实现了
Modbus/TCP协议。
引言
随着工业以太网技术的快速发展，利用工业以太网与Internet连接可实现无缝集成的优势，嵌入式Internet技术已经在工控领域
得到了广泛应用。工业以太网是基于IEEE802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。其具有价格低廉、稳定可靠、通信速率
高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，并且支持几乎所有流行的网络协议。目前，工业以太网技术在网络
的视频传输、人机界面（HMI），以及触摸屏通信等方面都得到了及时的应用。
以太网技术应用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象，以及工程模型的应用协议。目前，还没有
统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的主要有4种协议：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、
Ethernet/IP。
1 系统的硬件架构设计
通用伺服电机控制系统的硬件架构如图1所示。
图1 系统硬件架构图
系统由DSP控制模块、CPLD辅助控制模块、CAN通信模块、网络通信模块、码盘信号处理模块、电源模块、电平转换模块、
D/A转换模块、I/O扩展模块、通道号显示模块等组成。其中，网络通信模块的硬件设计如图2所示。
图2 网络模块硬件设计原理图
采用TI公司工业控制领域先进的32位浮点DSP芯片TMS320F28335为主控芯片，网卡芯片采用台湾DAVICOM公司的
DM9000A芯片，人机界面采用威纶通触摸屏。DSP主要完成对网卡芯片的收发控制、应用层数据处理、控制算法的实现等功
能；网卡芯片实现下位机与人机界面之间数据的网络收发；威伦通触摸屏完成数据显示、参数设定，以及报警功能。
2 系统的软件设计
2.1 Modbus/TCP协议简介
Modbus/TCP协议由施耐德电气定义，并由ModbusIDA支持，它是在TCP/IP网络上应用Modbus协议。Modbus/TCP协议是
Modbus的派生产品，在OSI模型中，它位于第7层应用层，已成为工业自动化领域中网络信息传输的通用标准。Modbus
TCP/IP通信设备连接在以太网上，默认使用TCP502端口。其数据帧格式如图3所示，由MBAP报文头、功能码和数据三部分
组成，舍去了Modbus协议中的差错校验域，由TCP/IP协议来保证报文的正确性[6]。
图3 Modbus/TCP的消息帧结构
其中，MBAP报文头为7个字节，包括事务处理标识符、协议标识符、长度和单元标识符。由于Modbus/TCP的消息帧用于与
人机界面之间的通信，其所需功能码主要包括：01（读单个或多个线圈）、03（读保持寄存器）、05（写单个线圈）、
06（写单个寄存器）、16（写多个寄存器）等。
2.2 网卡驱动的编写
在DM9000A中，只有两个可以直接被处理器访问的寄存器，这里命名为INDEX端口和DATA端口。事实上，DM9000A中有许
多控制和状态寄存器，但它们都不能直接被处理器访问，访问这些控制、状态寄存器的方法是：
① 将寄存器的地址写到INDEX端口；
② 从DATA端口读写寄存器中的数据。
其实，INDEX端口和DATA端口是由芯片上的CMD引脚来区分的，低电平时为INDEX端口，高电平时为DATA端口。芯片CMD
引脚与DSP地址总线上的A2引脚相连，其16根数据线与DSP的数据总线相连，通过DSP总线接口来配置DM9000A的读写时序
的方法，可以省去通过I/O口模拟总线时序来实现寄存器读写的麻烦。
假设网卡芯片的片选信号由DSP外部总线中的XZCS7引脚控制，则总线连接后网卡芯片的基地址为0x200000（22根地址总
线），网卡芯片的寄存器读写可通过以下方法实现：
#defineDM9000_INDEX(*(volatile unsigned int *)0x200000)
#defineDM9000_DATA(*(volatile unsigned int *)0x200004)
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