FreeMODBUS协议栈移植到AT32 MCU的方案设计

概述

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现施耐德电气）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。如今Modbus已成为工业领域通信协议的业界标准，并且是工业电子设备之间常用的连接方式。  

关于Modbus协议

Modbus协议使用的是主从的通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方所使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如可编程逻辑控制器（PLC）等。

MODBUS是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。 Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232、RS485等），也可以选择以太网口等。 图1. Modbus通信栈

MODBUS协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。

图2. 通用Modbus帧

当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）。需要管理超时，以便明确地等待可能不会出现的应答。

图3. Modbus事务处理（无差错）   图4. Modbus事务处理（异常响应）

MODBUS使用一个‘big-Endian’表示地址和数据项。这意味着当发射多个字节时，首先发送最高有效位。例如，寄存器大小16-bit的值为0x1234，先发送的第一字节为0x12，然后为0x34。

MODBUS的数据模型以一系列具有不同特征表格上的数据模型为基础。四个基本表格为：

表1. Modbus数据模型

MODBUS有三类功能码：公共功能码、用户定义功能码、保留功能码。

公共功能码是较好地被定义的功能码，保证是唯一的、公开证明的，具有可用的一致性测试。

图5. 公共功能码定义

Modbus串行链路协议是一个主从协议。在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点（最大编号为247）连接于同一个串行总线。Modbus通信总是由主节点发起。子节点在没有收到来自主节点的请求时，从不会发送数据。子节点之间从不会互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。

主节点以两种模式对子节点发出Modbus请求：

1、单播模式，主节点以特定地址访问某个子节点，子节点接到并处理完请求后，子节点向主节点返回一个报文(一个'应答')。每个子节点必须有唯一的地址(1到247)，这样才能区别于其它节点被独立的寻址。

图6. 单播模式

2、广播模式，主节点向所有的子节点发送请求。对于主节点广播的请求没有应答返回。广播请求一般用于写命令。所有设备必须接受广播模式的写功能。地址0是专门用于表示广播数据的。

图7. 广播模式

Modbus有两种串行传输模式被定义：RTU模式（默认）和ASCII模式。

图8. RTU和ASCII模式的位序列

Modbus串行链路上所有设备的传输模式(和串行口参数)必须相同。

有关Modbus实现和特性的详细信息，请访问Modbus官网：https://modbus.org。  

关于FreeModbus协议栈

FreeMODBUS是一个针对通用的Modbus协议栈在嵌入式系统中应用的实现。它提供了RTU/ASCII传输模式及TCP协议支持。FreeModbus遵循BSD许可证，这意味着用户可以将FreeModbus应用于商业环境中。目前FreeMODBUS只免费提供了一个Modbus从机节点的协议栈。该协议栈使用ANSI C编写，并且支持多个变量。 本应用指南将介绍如何在AT32F435单片机上，通过FreeMODBUS协议栈实现Modbus从机节点的主要功能，并提供基于AT32F43x_StdPeriph_Lib和FreeMODBUS协议栈的源代码。如结合AT32-Comm-EV Board和AT-START Board可以方便快速的搭建起基于RS485的Modbus从机节点。  

关于Modbus Poll调试软件

Modbus Poll是一个Modbus主机模拟器，支持Modbus RTU、ASCI、TCP/IP传输模式。它可以协助开发人员调试Modbus从设备，测试和模拟Modbus协议的通信。通过多文档界面接口，可以同时监控多个Modbus从机设备、数据域等。每个窗口可简单地设定从设备ID、功能码、地址、长度和轮询间隔。支持Modbus数据模型的四个基本表格，支持Modbus的多个公共功能码。

本应用指南中将下载安装Modbus Poll在PC机上作为Modbus主机，与AT-START Board（作为Modbus从机）通过USB转RS485的模块相连，实现一个完整的、可测试的Modbus通信网络。

AT32硬件准备

硬件主要由AT32-Comm-EV Board和AT-START Board组成。

本应用指南提供的demo使用到的外设资源有USARTTMR等，用户可根据具体需要灵活配置和修改，使用RS232或RS485来实现Modbus物理层的连接。

图9. AT32 Modbus结构原理图

AT-START Board

当前提供例程基于AT-START-F435。可提供基于RS232的Modbus通信。

图10. AT-START-F435 V1.0实验板

AT32-Comm-EV Board

可提供例程基于RS485的Modbus通信支持。

图11. AT-START结合AT32-Comm-EV使用

将FreeModbus移植到AT32上

基础工程准备

下载最新版本BSP&PACK文件，按照其应用指南进行安装及配置，本文档及例程均基于AT32F4xx_StdPeriph_Lib_V2.x.x的BSP&PACK文件进行开发。可借用at_start_f435文件夹下的temple工程来进行修改，更改文件夹及工程名为freemodbus，并准备在该工程内添加FreeMODBUS源码。

工程内添加FreeModbus源码

用户需前往FreeMODBUS官网或Github上下载最新版源码。源码包解压后，内有如下文件。

本文及所有移植例程均基于freemodbus-v1.6版本进行移植。

图12. FreeMODBUS源码文件

将源码包解压后，复制modbus文件夹和demoBAREport文件夹到前面的基础工程freemodbus目录下面，将port文件夹改名为modbus_port。如下图所示。

图13. freemodbus工程目录

打开工程文件，并按以下2个步骤添加到工程文件内。可参考AT提供的例程文件进行添加。

1、添加modbus和modbus_port内的所有.c文件（与tcp相关的除外）到工程项目内。

图14. freemodbus工程的项目

2、需将添加的.c文件所对应的.h文件的路径添加到工程的文件夹设置内。

图15. freemodbus工程的文件夹设置

工程代码的修改

1、修改“port.h”文件。在该文件中添加包含关于AT32 MCU的“at32f435_437.h”头文件。补全用于互斥操作的开关中断宏定义。屏蔽掉关于TRUE、FALSE的宏定义，因在AT BSP的头文件中已有定义，避免编译出错。

2、修改“portserial.c”和“porttimer.c”文件。在该文件中添加关于USART和TMR外设的底层驱动部分代码。用户可根据自己的硬件环境来自行修改，所以这里不进行具体说明，也可参考AT所提供的例程文件。

3、需特别注意的是，因USART寄存器DT的值里包含数据位和校验位，而FreeMODBUS源码里在读取USART接收的数据后，会把所有值都当作数据位来处理而出错，这可能是和其他厂家的MCU有差异，所以这里需在“mbascii.c”文件中去修改源码。具体可参考AT所提供的例程文件。

4、在工程中新建并添加“mbtask.c/.h”文件。该文件用于创建Modbus的通信任务（作从机）来调用FreeMODBUS协议栈的API层，并建立Modbus的数据模型（4个基本表格）用于与ModbusPoll（作主机）进行模拟通信测试。 “mbtask.c/.h”文件中实现的调用管理：

保持寄存器的读/写

输入寄存器的读取

线圈的读/写

离散量输入的读取

“mbtask.h”文件中定义的Modbus数据模型和建立通信所需的参数：

表2. Modbus的配置参数

设备功能的实现

1、在“mbtask.c”文件中编写void modbus_task(void)函数去调用协议栈的API层，来实现modbus从机任务的功能。

2、在“main.c”文件中，由int main(void) 主函数去调用modbus_task()任务函数即可。

设备的测试

至此，官方例程移植完毕，编译并下载，开打与AT-Link相连的串口，可看到如下打印信息。 图16. 串口打印信息

从打印信息可以看到，从设备已经正常的运行起来。

这时我们需要将此设备与上位机相连接，再打开Modbus Poll软件，模拟主设备来进行单播通信，即发送请求并接收应答。

1. 首先对Modbus Poll软件进行连接设置，选择与从设备相同的传输模式（RTU Mode），并配置相应串口的参数，也须与从设备相同。

图17. Modbus Poll连接设置

2. 再对Modbus Poll软件进行读写命令的定义，下面仅以功能码03（读保持寄存器）为例来讲解，用户可自行用同样的方式测试其他功能码。

图18. Modbus Poll读/写定义

3. 在Modbus Poll软件的文档界面中，可以看到已成功读回保持寄存器的值，并与从设备的程序中初始化保持寄存器时的值一致，测试通过。

图19. Modbus Poll文档界面

审核编辑：黄飞