單芯片解決方案，開(kāi)啟全新體驗(yàn)——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶(hù)帶來(lái)前所未有的集成化體驗(yàn)。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來(lái)說(shuō)，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿(mǎn)足存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨(dú)立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個(gè)獨(dú)立硬件socket使用。如此配置，真正實(shí)現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開(kāi)發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32 提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專(zhuān)為各種復(fù)雜工控場(chǎng)景設(shè)計(jì)。它擁有66個(gè)GPIO、3個(gè)ADC、12通道DMA、17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、2個(gè)SPI接口（其中1個(gè)帶I2S接口復(fù)用）、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0以及1個(gè)SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對(duì)工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無(wú)論是與各類(lèi)傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對(duì)復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場(chǎng)景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請(qǐng)進(jìn)入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開(kāi)發(fā)者快速上手與深入開(kāi)發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線(xiàn)，就能輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開(kāi)發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開(kāi)發(fā)者全面評(píng)估芯片性能。

若您想獲取芯片和開(kāi)發(fā)板的更多詳細(xì)信息，包括產(chǎn)品特性、技術(shù)參數(shù)以及價(jià)格等，歡迎訪(fǎng)問(wèn)官方網(wǎng)頁(yè)：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無(wú)限可能。

第二十九章 W55MH32 Modbus_TCP_Server示例

本篇文章，我們將詳細(xì)介紹如何在W55MH32芯片上面實(shí)現(xiàn)Modbus TCP協(xié)議。并通過(guò)實(shí)戰(zhàn)例程，為大家講解如何在W55MH32上使用Modbus TCP作為服務(wù)器，監(jiān)聽(tīng)端口，與客戶(hù)端進(jìn)行通信。

該例程用到的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如DHCP，請(qǐng)參考相關(guān)章節(jié)。有關(guān) W55MH32 的初始化過(guò)程，請(qǐng)參考 Network Install章節(jié)，這里將不再贅述。

1 Modbus TCP簡(jiǎn)介

Modbus TCP是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，它是經(jīng)典Modbus協(xié)議的擴(kuò)展。Modbus協(xié)議最初由Modicon公司在1979年開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。Modbus TCP結(jié)合了Modbus協(xié)議的簡(jiǎn)單性和以太網(wǎng)的高效性，是一種開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)化且廣泛使用的工業(yè)通信協(xié)議。

2 Modbus TCP的基本原理

Modbus TCP使用TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行通信，運(yùn)行在OSI模型的傳輸層（TCP層）之上。設(shè)備之間通過(guò)以太網(wǎng)接口連接，數(shù)據(jù)通過(guò)TCP端口（通常是502端口）傳輸。

主從架構(gòu)：

主機(jī)（Master）：主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求的設(shè)備（通常是PLC或工業(yè)PC）。

從機(jī)（Slave）：響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求的設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、IO模塊）。

數(shù)據(jù)傳輸：主機(jī)向從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，從機(jī)解析后執(zhí)行相應(yīng)操作，并返回結(jié)果。通信過(guò)程包括功能碼、地址、數(shù)據(jù)值和錯(cuò)誤校驗(yàn)等內(nèi)容。

3 Modbus TCP的優(yōu)勢(shì)

開(kāi)放性： 不需要支付許可證費(fèi)用，廣泛支持。

簡(jiǎn)潔性： 數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)單易懂，開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本低。

兼容性： 支持多種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)性： 基于TCP/IP，通信速度快，延遲低。

可擴(kuò)展性： 能夠集成到基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。

4注意事項(xiàng)

通信可靠性： TCP連接可能存在斷開(kāi)或超時(shí)的情況，需要進(jìn)行異常處理。

數(shù)據(jù)安全性： Modbus TCP本身不包含加密機(jī)制，可使用TLS等協(xié)議增加安全性。

設(shè)備地址： 每個(gè)從機(jī)需要唯一的單元標(biāo)識(shí)符（Unit Identifier）。

網(wǎng)絡(luò)配置： 需正確設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)。

Modbus TCP因其高效性和兼容性，已成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0中不可或缺的一部分。

5應(yīng)用場(chǎng)景

接下來(lái)，我們了解下在W55MH32上，可以使用Modbus TCP協(xié)議完成哪些操作及應(yīng)用呢？

1.工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)（PLC、SCADA等）：通過(guò)與PLC和SCADA系統(tǒng)集成，W55MH32可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，支持生產(chǎn)線(xiàn)的參數(shù)調(diào)整、啟動(dòng)和停止等操作，同時(shí)能夠采集傳感器數(shù)據(jù)并上傳至控制系統(tǒng)，用于分布式管理和優(yōu)化工業(yè)流程。

2.智能樓宇自動(dòng)化（HVAC系統(tǒng)、能源管理）：W55MH32可連接樓宇的HVAC設(shè)備，支持遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)，并采集電力、水、氣等能耗數(shù)據(jù)，上傳至能源管理系統(tǒng)，幫助優(yōu)化樓宇能效。此外，還可集成智能照明和安防傳感器，實(shí)現(xiàn)更智能的樓宇管理。

3.數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（遠(yuǎn)程I/O模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)）：通過(guò)遠(yuǎn)程I/O模塊，W55MH32能夠采集溫度、壓力、濕度等多種傳感器數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警功能。采集的數(shù)據(jù)還能用于設(shè)備健康狀態(tài)分析，支持預(yù)測(cè)性維護(hù)，提升設(shè)備可靠性。

4.工業(yè)設(shè)備互聯(lián)（變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器）：W55MH32可與變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，支持高精度的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)反饋。同時(shí)，作為中轉(zhuǎn)站，它還能實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通，構(gòu)建開(kāi)放的工業(yè)互聯(lián)生態(tài)。

6 Modbus TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)

Modbus TCP報(bào)文由以下幾個(gè)部分組成：

事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符（2字節(jié)）：用于標(biāo)識(shí)請(qǐng)求與響應(yīng)之間的配對(duì)。主機(jī)在請(qǐng)求中設(shè)置一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，從機(jī)在響應(yīng)中回傳相同的值，方便主機(jī)識(shí)別對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。

協(xié)議標(biāo)識(shí)符（2字節(jié)）：通常為0x0000，表示該報(bào)文使用的是Modbus協(xié)議。

長(zhǎng)度字段（2字節(jié)）：表示后續(xù)數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)（不包括事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符和協(xié)議標(biāo)識(shí)符）。

單元標(biāo)識(shí)符（1字節(jié)）：標(biāo)識(shí)目標(biāo)從機(jī)設(shè)備的地址。在Modbus TCP中，該字段通常用于區(qū)分邏輯設(shè)備。

功能碼（1字節(jié)）：定義當(dāng)前操作的類(lèi)型（如讀寫(xiě)寄存器等）。

數(shù)據(jù)部分（可變長(zhǎng)度）：包含具體的操作數(shù)據(jù)，例如寄存器地址、要讀取或?qū)懭氲闹档取?/p>

7 Modbus TCP常用功能碼

功能碼 0x01：讀取線(xiàn)圈狀態(tài)，用于讀取從機(jī)設(shè)備中的一組線(xiàn)圈狀態(tài)（0或1）。

功能碼 0x02：讀取離散輸入，用于讀取從機(jī)設(shè)備中的一組離散輸入狀態(tài)（只讀，0或1）。

功能碼 0x03：讀取保持寄存器，用于讀取從機(jī)設(shè)備中的一組保持寄存器值（通常是可讀寫(xiě)的數(shù)值）。

功能碼 0x04：讀取輸入寄存器，用于讀取從機(jī)設(shè)備中的一組輸入寄存器值（只讀數(shù)據(jù)）。

功能碼 0x05：寫(xiě)單個(gè)線(xiàn)圈，用于寫(xiě)入從機(jī)設(shè)備中的一個(gè)線(xiàn)圈狀態(tài)（設(shè)置為0或1）。

功能碼 0x06：寫(xiě)單個(gè)寄存器，用于向從機(jī)設(shè)備中的一個(gè)保持寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

功能碼 0x0F：寫(xiě)多個(gè)線(xiàn)圈，用于同時(shí)寫(xiě)入從機(jī)設(shè)備中的多個(gè)線(xiàn)圈狀態(tài)。

功能碼 0x10：寫(xiě)多個(gè)寄存器，用于同時(shí)向從機(jī)設(shè)備中的多個(gè)保持寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

8實(shí)現(xiàn)過(guò)程

接下來(lái)，我們?cè)赪55MH32上實(shí)現(xiàn)Modbus TCP協(xié)議服務(wù)器模式：

注意：測(cè)試實(shí)例需要PC端和W55MH32處于同一網(wǎng)段。

步驟一：初始化并注冊(cè)LED相關(guān)函數(shù)

1.     user_led_init();
2. 
3.     user_led_control_init(get_user_led_status, set_user_led_status);
4. 

在程序初始化部分添加LED所使用的GPIO外設(shè)初始化和注冊(cè)設(shè)置、獲取LED狀態(tài)的函數(shù)，用于在接收到特定的Modbus TCP數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)的顯示。

user_led_control_init()函數(shù)如下：

1. void user_led_control_init(int(*get_fun)(void),void(*set_fun)(uint32_t))
2. {
3.     if(get_fun!= NULL&& set_fun!= NULL)
4.     {
5.         getUserLED_cb= get_fun;
6.         setUserLED_cb= set_fun;
7.     }
8. }

user_led_control_init()為L(zhǎng)ED控制初始化函數(shù)，允許用戶(hù)注冊(cè)兩個(gè)回調(diào)函數(shù)：一個(gè)用于獲取LED狀態(tài)，另一個(gè)用于設(shè)置LED狀態(tài)。這些回調(diào)函數(shù)將在get_led_status()和set_led_status()函數(shù)中被調(diào)用。函數(shù)如下：

1. int get_led_status(void)
2. {
3.     return getUserLED_cb();
4. }
5. void set_led_status(int32_t val)
6. {
7.     setUserLED_cb(val);
8. }

get_led_status()和set_led_status()為獲取和設(shè)置LED狀態(tài)的函數(shù)，get_led_status()函數(shù)調(diào)用注冊(cè)的獲取LED狀態(tài)的回調(diào)函數(shù)，并返回其返回值。set_led_status()函數(shù)調(diào)用注冊(cè)的設(shè)置LED狀態(tài)的回調(diào)函數(shù)，并傳入新的狀態(tài)值。

步驟二：主循環(huán)調(diào)用do_Modbus()函數(shù)

1.  while(1)
2.     {
3.         do_Modbus(SOCKET_ID);
4.     }

在循環(huán)中不斷執(zhí)行do_Modbus()函數(shù)的操作，用于處理Modbus TCP通信，根據(jù)套接字的不同狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求、處理連接建立事件、接收和處理數(shù)據(jù)以及關(guān)閉連接等。

步驟三：進(jìn)入do_Modbus()函數(shù)，處理接收的報(bào)文

 1.  void do_Modbus(uint8_t sn)
 2. {
 3.     uint8_t state=0;
 4.     uint16_t len;
 5.     getSIPR(lip);
 6.     state= getSn_SR(sn);
 7.     switch(state)
 8.     {
 9.     case SOCK_SYNSENT:
10.         break;
11.     case SOCK_INIT:
12.         listen(sn);
13.         if(!b_listening_printed)
14.         {
15.             b_listening_printed=1;
16.             printf("Listening on %d.%d.%d.%d:%drn",
17.                    lip[0], lip[1], lip[2], lip[3], local_port);
18.         }
19.         break;
20.     case SOCK_LISTEN:
21.         break;
22.     case SOCK_ESTABLISHED:
23.         if(getSn_IR(sn)&Sn_IR_CON)
24.         {
25.             setSn_IR(sn,Sn_IR_CON);
26.             printf("Connectedrn");
27.             getSn_DIPR(sn, rip);
28.             port= getSn_DPORT(sn);
29.             printf("RemoteIP:%d.%d.%d.%d Port:%drn", rip[0], rip[1], rip[2], rip[3], port);
30.  
31.             if(b_listening_printed)
32.                 b_listening_printed=0;
33.         }
34.         len= getSn_RX_RSR(sn);
35.         if(len>0)
36.         {
37.             mbTCPtoEVB(sn);
38.         }
39.         break;
40.     case SOCK_CLOSE_WAIT:
41.         disconnect(sn);
42.         break;
43.     case SOCK_CLOSED:
44.     case SOCK_FIN_WAIT:
45.         close(sn);
46.         socket(sn,Sn_MR_TCP, local_port,Sn_MR_ND);// Sn_MR_ND
47.         break;
48.     default:
49.         break;
50.     }
51. 

首先，程序會(huì)獲取本地IP地址和指定socket的狀態(tài)，根據(jù)socket的狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如，如果socket處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，則開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)；如果處于已建立連接狀態(tài)，則處理接收到的數(shù)據(jù)。在處理已建立連接狀態(tài)時(shí)，檢查是否有新的連接請(qǐng)求，并打印連接信息（包括遠(yuǎn)程IP地址和端口號(hào)）。如果有接收到的數(shù)據(jù)，則調(diào)用mbTCPtoEVB()函數(shù)檢查Modbus TCP數(shù)據(jù)并執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。mbTCPtoEVB()函數(shù)內(nèi)容如下：

 1. void mbTCPtoEVB(uint8_t sn)
 2. {
 3.     if(MBtcp2evbFrame()!=0)                        // Frame received complete
 4.     {
 5.         if(pucASCIIBufferCur[0]==0x01)             // Check whether the device address is 0x01
 6.         {
 7.             if((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1]==0x05)// Write to a single device
 8.             {
 9.                 if((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4]==0xff)
10.                 {
11.                     set_led_status(0);
12.                     printf("LED ONrn");
13.                 }
14.                 elseif((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4]==0x00)
15.                 {
16.                     set_led_status(1);
17.                     printf("LED OFFrn");
18.                 }
19.                 send(sn, recv_data, recv_len);
20.             }
21.             elseif((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1]==0x01)// Read Write to a single device
22.             {
23.                 if(recv_data[recv_len-1]!=0x01)
24.                 {
25.                     printf("len error!%xrn", recv_data[recv_len-1]);
26.                 }
27.                 else
28.                 {
29.                     printf("Read OK!rn");
30.                     send_data[0]= recv_data[0];
31.                     send_data[1]= recv_data[1];
32.                     send_data[2]= recv_data[2];
33.                     send_data[3]= recv_data[3];
34.                     send_data[4]=0x00;
35.                     send_data[5]=0x04;
36.                     send_data[6]=0x01;
37.                     send_data[7]=0x01;
38.                     send_data[8]=0x01;
39.                     send_data[9]=~get_led_status();
40.                     send_len    =10;
41.                     send(sn, send_data, send_len);
42.                     memset(send_data,0, send_len);
43.                 }
44.             }
45.             else
46.             {
47.                 printf("error code!rn");
48.             }
49.         }
50.         else
51.         {
52.             printf("address error!rn");
53.         }
54.     }
55. }
56. 

mbTCPtoEVB()函數(shù)用于處理從Modbus TCP接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括寫(xiě)單個(gè)設(shè)備和讀單個(gè)設(shè)備操作，并根據(jù)操作結(jié)果發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。比如在接收到一段Modbus TCP數(shù)據(jù)之后，首先會(huì)進(jìn)行檢查、比對(duì)，符合預(yù)設(shè)的值時(shí)，對(duì)LED進(jìn)行開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)設(shè)置，并打印相應(yīng)的信息，再調(diào)用send()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)原樣發(fā)送回去。如果接收到的數(shù)據(jù)不符合預(yù)期，會(huì)打印相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。

9運(yùn)行結(jié)果

燒錄例程運(yùn)行后，首先可以看到進(jìn)行了PHY鏈路檢測(cè)，然后打印了設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)地址信息，然后開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)地址和端口號(hào)，信息如下圖所示：

我們使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行連接：

然后發(fā)送“00 01 00 00 00 06 01 01 00 00 00 01”報(bào)文后回復(fù)“0 01 00 00 00 04 01 01 01 FE”如下圖所示：

接著我們發(fā)送“ 01 00 00 00 06 01 05 00 00 ff 00 00 00”令，LED就被打開(kāi)了，且指令被進(jìn)行了回傳：

發(fā)送“0 01 00 00 00 06 01 05 00 00 00 00 00 00”可以關(guān)閉LED：

10總結(jié)

本文講解了如何在 W55MH32芯片上實(shí)現(xiàn) Modbus TCP協(xié)議的服務(wù)器模式，通過(guò)實(shí)戰(zhàn)例程展示了從初始化 LED相關(guān)函數(shù)、主循環(huán)調(diào)用處理函數(shù)到解析處理接收到的報(bào)文的完整過(guò)程。文章詳細(xì)介紹了 Modbus TCP的概念、基本原理、優(yōu)勢(shì)、注意事項(xiàng)、應(yīng)用場(chǎng)景、報(bào)文結(jié)構(gòu)和常用功能碼，幫助讀者理解其在工業(yè)通信中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

下一篇文章將講解在 W55MH32芯片上實(shí)現(xiàn) HTTP_Server與 NetBIOS功能，解析如何通過(guò) NetBIOS名稱(chēng)訪(fǎng)問(wèn) HTTP服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)實(shí)戰(zhàn)例程講解具體實(shí)現(xiàn)步驟與要點(diǎn)，敬請(qǐng)期待！

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審核編輯 黃宇