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--- modbus_tcp实验_电源监控 [2019/12/21 11:09]
zhangzheng
+++ modbus_tcp实验_电源监控 [2022/03/22 10:24] (当前版本)
sean
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+===== 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 ====
+===
+、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 ===
+<code c>
+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
+}
+</code>
+=== 2、开始任务 ===
+<code c>
+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
+}
+</code>
+=== 3、LwIP初始化 ===
+<code c>
+//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,&ethernetif_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.
+}
+</code>
+=== 4、MODBUS初始化 ===
+<code c>
+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;
+}
+</code>
+=== 5、MODBUS任务 ===
+<code c>
+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);
+     }
+   }
+}
+</code>
+==== 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： ====
+、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 |}}
+、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： ====
+、选择相应的位（32 位或 64 位）双击，NEXT—→NEXT—→Install—→NEXT—→Finished.\\
+、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 |}}
+、按下图进行设置，点击 OK 即可。
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_26_9.png?direct |}}

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