1.前言
使用modbus有些时间了，期间使用过modbus RTU也使用过modbus TCP，通过博文和大家分享一些MODBUS TCP的东西。在嵌入式中实现TCP就需要借助一个以太网协议栈，在这里我选择最简单的uIP协议栈。uIP协议栈简单易用方便上手，相比于LwIP无论是移植还是使用难度都低些，这样就可以把更多的精力花在modbus tcp协议本身而不必花大量的时间研究以太网协议栈。modbus协议栈为freemodbus
【发表本文主要目的，还文字债】
【其他资料】
【1】uIP学习笔记
【2】MODBUS协议整理——汇总
【工程代码】
示例代码托管于GitHub——【Github Clone】
如果有问题我会及时更新。
【使用说明】
【1】工具链为IAR 6.5
【2】从机IP为固定IP 192.168.1.15，请保证从机和路由器位于同一个网段中。
【3】modbus tcp的侦听端口号为502
2.MODBUS TCP注意点
2.1 主机和从机、服务端和客户端
图1 MODBUS请求响应模型
【在modbus协议中】
主机发送modbus请求，从机根据请求内容向主机返回响应。在modbus协议中，主机总是主动方，从机总是被动方。
【在网络应用中】
在网络应用中存在客户端和服务器端，客户端（例如浏览器）发送请求到服务器，服务器向客户端返回内容（例如HTML文本）。
【在modbus tcp中】
主机是客户端，而从机是服务器端。千万不要以为服务器端重要，主机也重要，所以主机就是服务器端。
2.2 是否可以多主机
通过前面的分析，主机为客户端那么modbus tcp支持多个主机，在一个局域网中可存在多个主机和多个从机。从机的连接能力（连接主机的数量）由uIP的最大TCP连接个数决定。
2.3 modbus TCP协议简述
modbus TCP和modbus RTU基本相同，但是也存在一些区别
【1】从机地址变得不再重要，多数情况下忽略。从某种意义上说从机地址被IP地址取代
【2】CRC校验变得不再重要，甚至可以忽略。由于TCP数据包中已经存在校验，为了不重复造轮子，modbus TCP干脆取消了CRC校验。
modbus TCP和modbus RTU的区别可使用下图概括
图2 modbus TCP数据包和modbus RTU数据包比较
在modbus TCP中包含一个MBAP头，该头包含以下几个部分
| 区域 | 长度
| 描述
| 客户端
| 服务器
| 传输标志
| 2字节
| MODBUS 请求和响应传输过程中
序列号
| 客户端生成 | 应答时复制该值
| | 协议标志 | 2字节
| Modbus协议默认为0
| 客户端生成
| 应答时复制该值
| 长度
| 2字节
| 剩余部分的长度 | 客户端生成
| 应答时由服务器端生成
| 单元标志
| 1字节
| 从机标志（从机地址） | 客户端生成
| 应答时复制该值
|
【注意】
【1】传输标志可理解为序列号，防止MODBUS TCP通信错位，例如后发生的响应先到了主机，而早发生的响应后到主机
【2】单元标志可理解为从机地址，此时已经不再重要
2.4 modbus tcp 和 TCP IP的关系
modbus TCP可以理解为发生在TCP上的应用层协议，既然是TCP协议那么一个完整的MODBUS TCP报文必然包括TCP首部，IP首部和Ethernet首部。
下面就通过uIP协议栈来实现modbus TCP
3.代码实现
3.1 侦听502端口
- BOOL
- xMBTCPPortInit( USHORT usTCPPort )
- {
- BOOL bOkay = FALSE;
-
- USHORT usPort;
- if( usTCPPort == 0 )
- {
- usPort = MB_TCP_DEFAULT_PORT;
- }
- else
- {
- usPort = (USHORT)usTCPPort;
- }
-
- // 侦听端口 502端口
- uip_listen(HTONS(usPort));
-
- bOkay = TRUE;
- return bOkay;
- }
【代码说明】
【1】uip_listen(HTONS(usPort)) 侦听502端口，注意大小端变化。
3.2 uIP循环处理——porttcp.c
- void uip_modbus_appcall(void)
- {
- if(uip_connected())
- {
- PRINTF("connected!\r\n");
- }
-
- if(uip_closed())
- {
- PRINTF("closed\r\n");
- }
-
- if(uip_newdata())
- {
- PRINTF("request!\r\n");
- // 获得modbus请求
- memcpy(ucTCPRequestFrame, uip_appdata, uip_len );
- ucTCPRequestLen = uip_len;
- // 向 modbus poll发送消息
- xMBPortEventPost( EV_FRAME_RECEIVED );
- }
-
- if(uip_poll())
- {
- if(bFrameSent)
- {
- bFrameSent = FALSE;
- // uIP发送Modbus应答数据包
- uip_send( ucTCPResponseFrame , ucTCPResponseLen );
- }
- }
- }
【代码说明】
【1】uip_newdata()返回为True表示存在新的数据
【2】复制uip_appdate中的数据到ucTCPRequestFrame，该变量为全局变量，通过该全部变量”中转“到modbus处理的缓冲区中。然后向modbus协议栈发送消息，消息内容为EV_FRAME_RECEIVED 。由于没有使用操作系统
【3】如果处理完成则通过uip_send发送响应。
【4】ucTCPRequestFrame和ucTCPResponseFrame均为全局数组，用于和modbus缓冲区交换数据。
static UCHAR ucTCPRequestFrame[MB_TCP_BUF_SIZE];
static USHORT ucTCPRequestLen;
static UCHAR ucTCPResponseFrame[MB_TCP_BUF_SIZE];
static USHORT ucTCPResponseLen;
3.3 modbus 接收处理
- BOOL
- xMBTCPPortGetRequest( UCHAR ** ppucMBTCPFrame, USHORT * usTCPLength )
- {
- *ppucMBTCPFrame = &ucTCPRequestFrame[0];
- *usTCPLength = ucTCPRequestLen;
-
- /* Reset the buffer. */
- ucTCPRequestLen = 0;
- return TRUE;
- }
【代码说明】
【1】** ppucMBTCPFrame为一个指向数据的指针，而*ppucMBTCPFrame可以指向一个数组，在这里可把ucTCPRequestFrame复制给该变量，配合usTCPLength，那么从uIP接收到的内容就”转移“到freemodbus中。
3.4 modbus 发送处理
- BOOL
- xMBTCPPortSendResponse( const UCHAR * pucMBTCPFrame, USHORT usTCPLength )
- {
- memcpy( ucTCPResponseFrame , pucMBTCPFrame , usTCPLength);
- ucTCPResponseLen = usTCPLength;
-
- bFrameSent = TRUE; // 通过uip_poll发送数据
- return bFrameSent;
- }
【代码说明】
【1】把传入的内容 pucMBTCPFrame复制给ucTCPResponseFrame，并设置bFrameSent为True，那么在下一次uip_poll时便会把响应发送会主机。
4.测试与分析
【1】连接从机
选择IP地址为192.168.1.15，端口号为502
图3 打开modbus tcp连接
【2】尝试读出保持寄存器
图4 读取保持寄存器
【3】抓包分析
请使用ip.addr == 192.168.1.15 表达式过滤报文，其中192.168.1.100为PC机，此处为modbus 主机
【简单分析】
【1】115行为modbus主机请求，此时传输标志为25.
【2】116行为modbus从机给出的TCP应答，TCP应答为TCP协议规定的内容，TCP应答中不包含modbus 响应
【3】117行为modbus从机响应，此时传输标志依然为25.
【4】118行为modbus主机 TCP应答，同16行。
图5 抓包分析
5.总结
6.参考资料
【基于EncEthernet的FreeModbus-TCP 在stm32上的移植与测试】
【simple modbus】
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发表于 2014-3-20 22:52:40
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