基于STM32和W5500的Modbus TCP通讯

在最近的一个项目中需要实现Modbus TCP通讯，而选用的硬件平台则是STM32F103和W5500，软件平台则选用IAR EWAR6.4来实现。

1、移植千的准备工作

为了实现Modbus TCP通讯首先需要下载W5500的驱动源码，可以到WIZnet的官网下载：

http://wizwiki.net/wiki/doku.php?id=products:w5500:driver

下载下来的压缩包，解压后如下图：

需要将ethernet文件夹拷贝到我们的项目目录中：

并在IAR的项目下添加相关的文件和路径，主要是socket.c、w5500.c、wizchip_.conf.c三个文件。这三个文件分别实现socket、硬件驱动及相关通讯配置功能，具体可以查看相应的源码级手册。

并在如下图所示的项目选项设置中添加Ethernet和Ethernet\W5500目录。

2、移植过程和代码编写

在完成以上工作后就可以开始真正地移植工作了。具体步骤如下：

• 硬件配置及初始化。
• 以太网通讯配置的初始化。
• 实现具体的通讯过程。

2.1、硬件的配置及初始化

由于W5500通过SPI接口与STM32通讯，所以硬件配置和初始化是非常简单的，与W5500实际上没有关系，使一些通用的操作。事实上就是STM32F103的SPI接口初始化的过程，需要实现RCC、GPIO以及SPI的初始化就可以了。关于这部分可以查看ST的例程。

2.2、以太网通讯配置的初始化

以太网通讯配置的初始化主要有三个方面的内容：

• 注册TCP通讯相关的回调函数  RegisterFunction();
• 初始化芯片参数  ChipParametersConfiguration();
• 初始化网络通讯参数  NetworkParameterConfiguration()

三个函数的具体实现内容如下：

//函数注册，首先,应由用户实现SPI注册回调函数来访问WIZCHIP
void RegisterFunction(void)
{  
  //临界区回调函数
  reg_wizchip_cris_cbfunc(SPI_CrisEnter, SPI_CrisExit);    //注册临界区函数
  //片选回调函数
#if   _WIZCHIP_IO_MODE_ == _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM_
  reg_wizchip_cs_cbfunc(SPI_CS_Select, SPI_CS_Deselect);//注册SPI片选信号函数
#elif _WIZCHIP_IO_MODE_ == _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_FDM_
  reg_wizchip_cs_cbfunc(SPI_CS_Select, SPI_CS_Deselect);  // CS必须为低电平.
#else
   #if (_WIZCHIP_IO_MODE_ & _WIZCHIP_IO_MODE_SIP_) != _WIZCHIP_IO_MODE_SIP_
      #error "Unknown _WIZCHIP_IO_MODE_"
   #else
      reg_wizchip_cs_cbfunc(wizchip_select, wizchip_deselect);
   #endif
#endif
  //SPI的读写回调函数
  reg_wizchip_spi_cbfunc(SPI_ReadByte, SPI_WriteByte);    //注册读写函数
}

注册函数实际上就是函数指针的调用，可参考C语言函数指针部分内容。对于以上注册的函数，SPI_WriteByte需要说明一下，无论是用可函数还是直接操作寄存器，在写完之后都需要再读一下（红色部分），否则就会在客户端出现连接TCPServer超时的报警，没明白什么原因。

//写1字节数据到SPI总线

void SPI_WriteByte(uint8_t TxData)

{                       

//  while((SPI2->SR&SPI_I2S_FLAG_TXE)==0);        //等待发送区空              

//  SPI2->DR=TxData;                              //发送一个byte

//  while((SPI2->SR&SPI_I2S_FLAG_RXNE)==0);       //等待接收完一个byte 

//  SPI2->DR;

  while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);        //等待发送区空

  SPI_I2S_SendData(SPI2,TxData);                                        //发送一个byte

  while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);        //等待接收完一个byte

  SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);                                            //返回接收的数据

}

初始化芯片参数：

//初始化芯片参数

void ChipParametersConfiguration(void)

{

  uint8_t tmp;

  uint8_t memsize[2][8] = {{2,2,2,2,2,2,2,2},{2,2,2,2,2,2,2,2}};

  //WIZCHIP SOCKET缓存区初始化

  if(ctlwizchip(CW_INIT_WIZCHIP,(void*)memsize) == -1){

    //printf("WIZCHIP Initialized fail.\r\n");

  while(1);

  }

 

  //PHY物理层连接状态检查

  do{

    if(ctlwizchip(CW_GET_PHYLINK, (void*)&tmp) == -1){

      //printf("Unknown PHY Link stauts.\r\n");

    }

  }while(tmp == PHY_LINK_OFF);

}

 以上实现网络物理层的配置。

初始化WIZCHIP中的网络参数信息：

//初始化WIZCHIP中的网络参数信息

void NetworkParameterConfiguration(void)

{

  uint8_t tmpstr[6];

  ctlnetwork(CN_SET_NETINFO, (void*)&gWIZNETINFO);

  ctlnetwork(CN_GET_NETINFO, (void*)&gWIZNETINFO);

 

  ctlwizchip(CW_GET_ID,(void*)tmpstr);

}

其中gWIZNETINFO是一个wiz_NetInfo类型的结构体变量，该结构体在wizchip_conf.h中定义，用于设置mac地址、IP地址等网络参数，具体如下：

typedef struct wiz_NetInfo_t

{

   uint8_t mac[6];  ///< Source Mac Address

   uint8_t ip[4];   ///< Source IP Address

   uint8_t sn[4];   ///< Subnet Mask

   uint8_t gw[4];   ///< Gateway IP Address

   uint8_t dns[4];  ///< DNS server IP Address

   dhcp_mode dhcp;  ///< 1 - Static, 2 - DHCP

}wiz_NetInfo;

至此网络部分的初始化就已完成。

2.3、具体通讯过程的实现

经过前面的配置网络已经可以ping通了，下面可以实现具体的应用。对于我这个项目就是可是实现Modbus TCP的编写了。

编写TCP Server，这部分有很多资料，直接附代码：

//TCP服务器数据通讯

int32_t TCPServer(uint8_t sn, uint16_t port)

{

  int32_t ret;

  uint8_t socketStatus=getSn_SR(sn);

 

  switch(socketStatus)

  {

    case SOCK_ESTABLISHED :

      {

        if(getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON)

        {

          setSn_IR(sn,Sn_IR_CON);

        }

        uint16_t size=0;

        if((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)

        {

          if(size > DATA_BUFFER_SIZE)

          {

            size = DATA_BUFFER_SIZE;

          }

          uint8_t rxBuffer[DATA_BUFFER_SIZE];

          ret = recv(sn,rxBuffer,size);

          if(ret <= 0)

          {

            return ret;

          }

          //添加数据解析及响应的函数

          uint8_t txBuffer[DATA_BUFFER_SIZE];

          uint16_t length=ReceivedDataParsing(rxBuffer,txBuffer);

         

          uint16_t sentsize=0;

          while(length != sentsize)

          {

            ret = send(sn,txBuffer+sentsize,length-sentsize);

            if(ret < 0)

            {

              close(sn);

              return ret;

            }

            sentsize += ret; // 不用管SOCKERR_BUSY, 因为它是零.

          }

        }

        break;

      }

    case SOCK_CLOSE_WAIT :

      if((ret=disconnect(sn)) != SOCK_OK)

      {

        return ret;

      }

      break;

    case SOCK_INIT :

      if( (ret = listen(sn)) != SOCK_OK)

      {

        return ret;

      }

      break;

    case SOCK_CLOSED:

      if((ret=socket(sn,Sn_MR_TCP,port,0x00)) != sn)

      {

        return ret;

      }

      break;

    default:

      break;

  }

  return 1;

}

其中ReceivedDataParsing(rxBuffer,txBuffer)实现具体的Modbus协议，根据具体的需求而定。

通过Modscan连接测试，结果正确。

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