基于LwIP和Modbus TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

史先傳，殷 帥，許議元

（常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，常州 213164）

工廠經(jīng)常需要對(duì)繼電器、電磁閥等設(shè)備或者電壓、電流和溫度等信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或監(jiān)測(cè)，目前許多工廠都構(gòu)建了設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著科技的進(jìn)步，工廠的終端設(shè)備分布越來(lái)越分散，需要測(cè)控的參數(shù)越來(lái)越多，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有許多限制，已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足工廠的要求。由于以太網(wǎng)傳輸具有傳輸速度快、傳輸距離長(zhǎng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛使用在對(duì)通信實(shí)時(shí)性和抗干擾能力要求高的工廠環(huán)境中。目前的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大多都依賴μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，而且大多數(shù)系統(tǒng)都使用單網(wǎng)口通訊方式[1-2]，當(dāng)工廠需要對(duì)不同地點(diǎn)的多路設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制時(shí)，需要使用多臺(tái)上位機(jī)，成本高且布線復(fù)雜。針對(duì)以上問(wèn)題，使用STM32F107RCT6 單片機(jī)和LAN9303 芯片作為硬件平臺(tái)，使用無(wú)操作系統(tǒng)的方式移植LwIP協(xié)議并結(jié)合Modbus TCP 協(xié)議，設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)絡(luò)控制器。同時(shí)，通過(guò)LAN9303 芯片拓展2 路網(wǎng)口，需要對(duì)不同地點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制時(shí)，用網(wǎng)線將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器串聯(lián)使用，如圖1所示。

圖1 雙網(wǎng)口工作方式Fig.1 Dual network port working mode

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制器由電源電路、網(wǎng)絡(luò)通信電路、A/D 采樣電路、網(wǎng)口電路、光耦隔離電路和IO 口電路等電路構(gòu)成。使用STM32F107RCT6 作為主控芯片，網(wǎng)絡(luò)芯片使用LAN9303 芯片。由電源電路將輸入電源轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)控制器所需的各種直流電源，分別提供給STM32F107RCT6 和LAN9303 及其外圍電路使用。STM32F107RCT6 通過(guò)其內(nèi)部的MAC（媒體訪問(wèn)控制器）與LAN9303 芯片進(jìn)行通信。使用LAN9303 芯片拓展2 個(gè)網(wǎng)口，形成雙網(wǎng)口工作方式。使用網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器將網(wǎng)口和LAN9303 芯片隔離，避免外界電磁干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。STM32 單片機(jī)通過(guò)IO 口對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，同時(shí)使用SPI 通信讀取A/D 采樣的值。采用光耦隔離電路將STM32 單片機(jī)與外部電路隔離，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 System overall structure

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信電路

STM32F107RCT6 和LAN9303 的網(wǎng)絡(luò)通信需要連接SMI（站管理接口）和MII（介質(zhì)無(wú)關(guān)接口）或RMII （精簡(jiǎn)MII 接口）。根據(jù)IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，MII接口需要連接16 個(gè)引腳，RMII 接口需要連接7 個(gè)引腳。RMII 接口方式在滿足網(wǎng)絡(luò)通信需求的同時(shí)，使用的引腳數(shù)目更少，在設(shè)計(jì)電路時(shí)更加簡(jiǎn)單方便。因此，采用RMII 接口方式實(shí)現(xiàn)STM32F107RCT6 與LAN9303 的網(wǎng)絡(luò)通信。

LAN9303 芯片由STM32F107RCT6 的PA8 引腳輸出的25 MHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘信號(hào)從LAN9303的XI 端口輸入，XO 端口保持懸空。LAN9303 內(nèi)部將25 MHz 時(shí)鐘倍頻到50 MHz，并由P0_OUTCLK 引腳輸出，驅(qū)動(dòng)STM32F107RCT6 的MAC。MDC 引腳和MDIO 引腳分別是站管理接口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，STM32F107RCT6 通過(guò)此接口訪問(wèn)LAN9303 的內(nèi)部寄存器發(fā)送控制數(shù)據(jù)或接收狀態(tài)信息。LAN9303 的RMII 接口與STM32F107RCT6 內(nèi)部集成的MAC 的RMII 接口相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)配置P0_MODE0、P0_MODE1 和P0_MODE2 選擇LAN-9303 的工作模式。LAN9303 采用RMII PHY 模式，對(duì)應(yīng)P0_MODE2=1，P0_MODE1=0，P0_MODE0=0。TXN1，TXP1，RXN1 和RXP1 為網(wǎng)口1 的數(shù)據(jù)傳輸引腳。TXN2，TXP2，RXN2 和RXP2 為網(wǎng)口2 的數(shù)據(jù)傳輸引腳。STM32F107RCT6 與LAN9303 的網(wǎng)絡(luò)通信電路如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信電路Fig.3 Network communication circuit diagram

2.2 A/D 采樣電路

A/D 采樣電路使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7895 芯片。AD7895 具有12 位ADC、雙極性輸入和高速串行SPI 接口等特點(diǎn)，能采樣±10 V 電壓。采用AD780 提供+2.5 V 基準(zhǔn)電壓作為參考。轉(zhuǎn)換電路與STM32 單片機(jī)之間的通信在硬件上添加了數(shù)字隔離芯片AD uM1402，避免外界電磁對(duì)主控芯片STM32 單片機(jī)造成干擾。使用STM32 單片機(jī)的GPIO 口模擬SPI通信讀取A/D 采樣的數(shù)值。通過(guò)撥動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)S1選擇采集對(duì)象是電壓信號(hào)還是電流信號(hào)。采集電壓信號(hào)時(shí)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)至2、3 閉合，1、4 斷開(kāi)，采集端并聯(lián)阻值為100 kΩ 的電阻R24。采集電流信號(hào)時(shí)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)至1、4 閉合，2、3 斷開(kāi)，采集端串聯(lián)阻值為500 Ω的電阻R23，采集電阻R23兩端的電壓，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)。采樣電路如圖4所示。

圖4 A/D 采樣電路Fig.4 A/D sampling circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)分層模型中的網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層由LwIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)[3]。在應(yīng)用層上使用Modbus TCP 協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)格式，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸Modbus TCP 協(xié)議報(bào)文，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[4-5]。軟件架構(gòu)分層模型如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)分層模型Fig.5 Software architecture hierarchical model

3.1 LwIP 協(xié)議棧的移植

STM32F107RCT6 自帶的MAC 的接口和LAN9303的接口構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口層，使用LwIP協(xié)議棧構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。ST 公司為STM32F107 芯片提供了專門的LwIP 源碼，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)項(xiàng)目需求編寫(xiě)和修改相應(yīng)的函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)是移植LwIP 協(xié)議棧的關(guān)鍵[6]，在ethernetif.c 文件中已經(jīng)為此提供了框架，對(duì)此文件進(jìn)行相應(yīng)修改以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的初始化、中斷處理以及數(shù)據(jù)的收、發(fā)等操作。ethernetif.c 文件中主要函數(shù)有：low_level_init（）函數(shù)——用來(lái)初始化并使能MAC和DMA；low_level_input（）函數(shù)——用于接收數(shù)據(jù)，在內(nèi)存池中分配一個(gè)pbuf 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，將從接口進(jìn)入的數(shù)據(jù)包的字節(jié)傳輸?shù)絧buf 中，將pbuf 返回；low_level_output（）函數(shù)——用來(lái)發(fā)送pbuf 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包。

創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)接口是實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)口通訊的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)控制器有2 個(gè)網(wǎng)口，給每個(gè)網(wǎng)口都分配一個(gè)結(jié)構(gòu)體netif，用來(lái)描述網(wǎng)口的IP 地址、MAC 地址和接口狀態(tài)等特性，通過(guò)netif_add（）函數(shù)將網(wǎng)口的各個(gè)參數(shù)添加到netif_list 鏈表中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)包的信息從netif_list 鏈表中選擇合適的網(wǎng)口進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)控制器只用于工廠控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備的局域網(wǎng)中，使用MAC 地址來(lái)標(biāo)識(shí)具體用戶，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的MAC 地址，選擇合適的網(wǎng)口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)2 個(gè)網(wǎng)口一起使用時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)包的目標(biāo)MAC 地址所連接到的單個(gè)網(wǎng)口。

完成以上相關(guān)函數(shù)的移植后，在程序的主函數(shù)中調(diào)用LwIP_Init（）函數(shù)初始化LwIP 協(xié)議的各項(xiàng)設(shè)置。

3.2 Modbus TCP 協(xié)議

根據(jù)IANA（互聯(lián)網(wǎng)編號(hào)分配管理機(jī)構(gòu)）規(guī)定，Modbus TCP 服務(wù)端的端口號(hào)是502。Modbus TCP報(bào)文由報(bào)文頭和報(bào)文體組成。因?yàn)長(zhǎng)wIP 協(xié)議在傳遞數(shù)據(jù)包時(shí)已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校驗(yàn)，所以在報(bào)文中不再進(jìn)行校驗(yàn)。Modbus TCP 報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Modbus TCP 報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig.6 Modbus TCP message structure

Modbus TCP 協(xié)議使用主從關(guān)系實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求和響應(yīng)。通信采用一問(wèn)一答的形式，由客戶端發(fā)起請(qǐng)求，然后等待服務(wù)端響應(yīng)。上位機(jī)為客戶端，網(wǎng)絡(luò)控制器作為服務(wù)端等待上位機(jī)發(fā)送報(bào)文并做出相關(guān)回應(yīng)。如圖7所示。

圖7 Modbus TCP 主從關(guān)系Fig.7 Modbus TCP master-slave relationship

3.3 A/D 采樣讀數(shù)處理

A/D 采樣電路測(cè)量的電壓范圍為0～10 V，電流范圍為4～20 mA。采樣得到的數(shù)字量取值范圍為0～2047。

若被測(cè)信號(hào)為電壓信號(hào)，則電壓轉(zhuǎn)換公式為

式中：Xu為A/D 采樣得到的數(shù)字量；U 為轉(zhuǎn)換后的電壓模擬量，單位為伏特（V）。

若被測(cè)信號(hào)為電流信號(hào)，則電流轉(zhuǎn)換公式為

式中：Xi為A/D 采樣得到的數(shù)字量；I 為轉(zhuǎn)換后的電流模擬量，單位為毫安（mA）。

為了消除A/D 采樣時(shí)遇到的脈沖干擾和隨機(jī)誤差，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，連續(xù)對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換值進(jìn)行20 次采樣，然后去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，求出剩下的18 個(gè)值的平均值作為最終采樣讀數(shù)。

3.4 程序設(shè)計(jì)

編寫(xiě)程序時(shí)直接調(diào)用LwIP 協(xié)議內(nèi)部的函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)控制器作為網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)端，遠(yuǎn)程上位機(jī)作為客戶端。

服務(wù)端收發(fā)數(shù)據(jù)流程如下：服務(wù)端始終監(jiān)聽(tīng)502 端口狀態(tài)，一旦接收到連接請(qǐng)求，建立連接并接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照Modbus TCP 協(xié)議的功能碼進(jìn)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測(cè)操作，并向客戶端返回相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文。其中modbus_accept（）和modbus_recv（）函數(shù)分別是連接到客戶端和接收到數(shù)據(jù)后的程序處理。上述流程如圖8所示。

圖8 服務(wù)端收發(fā)數(shù)據(jù)流程Fig.8 Server sending and receiving data flow chart

在完成客戶端的連接后調(diào)用modbus_accept（）函數(shù)為接收客戶端數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備，主要工作是分配空閑內(nèi)存和傳遞參數(shù)。modbus_accept（）函數(shù)主要流程如圖9所示，圖中hs 是數(shù)據(jù)指針。

圖9 Modbus_accept（）函數(shù)流程Fig.9 Modbus_accept（） function flow chart

當(dāng)服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后調(diào)用modbus_recv（）函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，modbus_recv（）函數(shù)的主要工作為判斷接收到的數(shù)據(jù)前7 個(gè)字節(jié)是不是Modbus TCP 報(bào)文頭。若是報(bào)文頭，則讀取功能碼，根據(jù)功能碼對(duì)線圈和寄存器進(jìn)行相應(yīng)操作，完成輸入狀態(tài)讀取、輸出狀態(tài)控制和A/D 采樣數(shù)據(jù)讀取等功能，并發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，完成一次數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。modbus_recv（）函數(shù)主要流程如圖10所示。

圖10 Modbus_recv（）函數(shù)流程Fig.10 Modbus_recv（） function flow chart

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

上位機(jī)為客戶端，網(wǎng)絡(luò)控制器為服務(wù)端。設(shè)置客戶端IP 地址為192．168．0．1，服務(wù)端IP 地址為192．168．0．10，服務(wù)端端口號(hào)為502。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試。

網(wǎng)絡(luò)控制器支持Modbus TCP 協(xié)議中常用的8個(gè)功能碼（0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06、0x0F和0x10），以功能碼05（寫(xiě)單個(gè)線圈）、功能碼02（讀輸入狀態(tài)）和功能碼03（讀輸入寄存器）為例進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試中上位機(jī)發(fā)送與接收的報(bào)文內(nèi)容如圖11所示。

圖11 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試Fig.11 Network communication test

05（寫(xiě)單個(gè)線圈）：上位機(jī)發(fā)送報(bào)文00 01 00 00 00 06 01 05 00 02 FF 00，上位機(jī)接收到的報(bào)文是00 01 00 00 00 06 01 05 00 02 FF 00。地址為2 的輸出端口上連接的繼電器線圈通電。

02（讀輸入狀態(tài)）：將地址為0 的輸入端口上所接的開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)從地址0 開(kāi)始讀5 個(gè)輸入點(diǎn)狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)送報(bào)文00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 05，上位機(jī)接收到的報(bào)文是00 01 00 00 00 04 01 02 01 01，接收的報(bào)文與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)一致。

03（讀輸入寄存器）：向A/D 輸入引腳施加5 V電壓，網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換電路將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量被存儲(chǔ)在地址為0x20 的寄存器。上位機(jī)發(fā)送報(bào)文00 01 00 00 00 06 01 03 00 20 00 01，上位機(jī)接收到的報(bào)文是00 01 00 00 00 05 01 03 02 04 00。報(bào)文的最后2 個(gè)字節(jié)為讀取的A/D 值，將16 進(jìn)制數(shù)0x0400 轉(zhuǎn)化為10 進(jìn)制數(shù)1024，通過(guò)轉(zhuǎn)換公式（1）計(jì)算可知測(cè)到的電壓為5 V，與施加的電壓一致。

5 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)控制器接收上位機(jī)發(fā)送的報(bào)文，控制電磁閥、繼電器等設(shè)備的通斷，并且對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)工廠需要對(duì)多路設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控時(shí)只需將多塊網(wǎng)絡(luò)控制器用網(wǎng)線串接，避免復(fù)雜的布線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)控制器成功地寫(xiě)入了輸出端口的通斷狀態(tài)、讀取了輸入端口狀態(tài)和A/D 采樣的值，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定地對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。