前言：

TCP/IP協(xié)議通過uip協(xié)議棧來實現(xiàn)，應(yīng)用層的modbus協(xié)議使用freemodbus來實現(xiàn)，另外還需要一個網(wǎng)卡（筆者使用的是KSZ8851網(wǎng)卡控制器）來實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)傳輸（包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層）。
下面先介紹uip協(xié)議棧和freemodbus庫的使用，后續(xù)移植過程和測試結(jié)果再更新

一、uip協(xié)議棧

uIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保存了網(wǎng)絡(luò)通訊必須使用的協(xié)議，設(shè)計重點放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。UIP提供的是封裝的策略。
由上往下逐步封裝用戶的數(shù)據(jù)，如：
應(yīng)用層----------傳輸層--------網(wǎng)絡(luò)層------數(shù)據(jù)鏈路層-----物理層
應(yīng)用數(shù)據(jù)—TCP封裝頭部—IP封裝頭部-----mac封裝+尾部-----發(fā)送

uIP協(xié)議棧與底層的交互
uIP提供了三個函數(shù)到底層，既uip_init()， uip_input() 和uip_periodic()，同時還提供了許多函數(shù)與堆棧交互。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動放一個輸入包到包緩存里(up_buf)，系統(tǒng)將調(diào)用uip_input()函數(shù).函數(shù)將會處理這個包和需要時調(diào)用應(yīng)用程序。當(dāng)uip_input()返回，一個輸出包放在包緩存里。包的大小由全局變量uip_len約束。如果uip_len是0，則說明沒有包要發(fā)送。周期計時是用于驅(qū)動所有的uIP內(nèi)部時鐘事件。當(dāng)周期計時激發(fā)，每一個TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic()。連接編號傳遞的是作為自變量給uip_periodic()函數(shù)的。類似于uip_input()函數(shù)，當(dāng)uip_periodic()函數(shù)返回，輸出的IP包要放到包緩存里。任何的事物需要經(jīng)過一定的初始階段，在UIP協(xié)議里面通過uip_init()來初始化。

uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口
應(yīng)用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。用戶需要將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL()。uIP在接受到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送到上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL()。在uIP協(xié)議中有一個uip_buf緩沖用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

uIP 提供的接口函數(shù)有：
? 初始化 uIP 協(xié)議棧：uip_init()
? 處理輸入包：uip_input()
? 處理周期計時事件：uip_periodic()
? 開始監(jiān)聽端口：uip_listen()
? 連接到遠(yuǎn)程主機：uip_connect()
? 接收到連接請求：uip_connected()
? 主動關(guān)閉連接：uip_close()
? 連接被關(guān)閉：uip_closed()
? 發(fā)出去的數(shù)據(jù)被應(yīng)答：uip_acked()
? 在當(dāng)前連接發(fā)送數(shù)據(jù)：uip_send()
? 在當(dāng)前連接上收到新的數(shù)據(jù)：uip_newdata()
? 告訴對方要停止連接：uip_stop()
? 連接被意外終止：uip_aborted()

二、應(yīng)用層modbus協(xié)議（FreeModbus）

FreeModbus是針對通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的一個實現(xiàn)。Modbus協(xié)議是一個在工業(yè)制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個Modbus通信協(xié)議棧包括兩層：定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能Modbus應(yīng)用協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層。目前版本的FreeModbus支持如下的功能碼：讀輸入寄存器 (0x04)；讀保持寄存器 (0x03)；寫單個寄存器 (0x06)；寫多個寄存器 (0x10)；讀/寫多個寄存器 (0x17)；讀取線圈狀態(tài) (0x01)；寫單個線圈 (0x05)；寫多個線圈 (0x0F)；讀輸入狀態(tài) (0x02)；報告從機標(biāo)識 (0x11)；
應(yīng)用Modbus TCP協(xié)議，當(dāng)準(zhǔn)備處理一個新數(shù)據(jù)幀的時候，移植層就必須首先向協(xié)議棧發(fā)送一個事件標(biāo)志。然后，協(xié)議棧調(diào)用一個返回值為接收到的Modbus TCP數(shù)據(jù)幀的函數(shù)，并且開始處理這個數(shù)據(jù)幀。如果數(shù)據(jù)有效，則相應(yīng)的Modbus反饋幀將提供給移植層生成反饋幀。最后，該反饋被發(fā)送到客戶端。
FreeModbus必須首先調(diào)用初始化功能eMBInit()函數(shù)（使用modbus TCP模式時使用eMBTCPInit()函數(shù)），然后調(diào)用eMBEnable()，最后在循環(huán)體中調(diào)用eMBPoll()函數(shù)。

eMBTCPInit()函數(shù)
該函數(shù)主要設(shè)置偵聽的端口和對需要調(diào)用的函數(shù)指針進行復(fù)制：
pvMBFrameStartCur = eMBTCPStart;
pvMBFrameStopCur = eMBTCPStop;
peMBFrameReceiveCur = eMBTCPReceive;
peMBFrameSendCur = eMBTCPSend;
pvMBFrameCloseCur = MB_PORT_HAS_CLOSE ? vMBTCPPortClose : NULL;
ucMBAddress = MB_TCP_PSEUDO_ADDRESS;
eMBCurrentMode = MB_TCP;
eMBState = STATE_DISABLED;
右邊的函數(shù)如eMBTCPStart、eMBTCPStop等定義在mbtcp.c中

eMBEnable()函數(shù)
? 檢查modbus功能是否都被關(guān)閉，如果不是關(guān)閉（可能是沒有初始化或者已經(jīng)打開），就返回錯誤；
? 如果是disable狀態(tài)，主要做兩件事：首先調(diào)用pvMBFrameStartCur，在eMBTCPInit()函數(shù)中指向了eMBTCPStart函數(shù)；然后將eMB狀態(tài)改為使能狀態(tài)，即初始化結(jié)束。

eMBPoll()總線偵聽函數(shù)
檢查是否有事件發(fā)送，如果有，則根據(jù)不太類型的事件響應(yīng)：
? EV_READY事件，表示系統(tǒng)剛剛進入偵聽狀態(tài)，則什么都不做；
? EV_FRAME_RECEIVED事件，表示接收到完整的幀，做兩件事情：調(diào)用peMBFrameReceiveCur()函數(shù)，解析出地址、數(shù)據(jù)和長度；然后檢查地址，如果是廣播地址或本機地址（廣播地址表示從機接收，本機地址表示從機發(fā)送），就調(diào)用xMBPortEventPost( EV_EXECUTE )，將接收器的狀態(tài)更改為EV_EXECUTE；
? EV_EXECUTE事件，在函數(shù)列表中檢查，有沒有與命令字段相符合的函數(shù)，若有則執(zhí)行響應(yīng)的函數(shù)，否則返回非法功能碼；然后再次檢查地址，如果不等于廣播地址（即表示從機為發(fā)送狀態(tài)），則調(diào)用peMBFrameSendCur()函數(shù)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包
? EV_FRAME_SENT事件，直接break（響應(yīng)寫進EV_EXECUTE事件中）

三、移植過程

先展示一下加入的uip協(xié)議棧和freemodbus庫在工程中的示例

運行的主函數(shù)

int main() {timer_typedef periodic_timer, arp_timer;uip_ipaddr_t ipaddr;/* 設(shè)定查詢定時器 ARP定時器 *//* TCP定時器修改為100ms */timer_set(&periodic_timer, CLOCK_SECOND / 10);timer_set(&arp_timer, CLOCK_SECOND * 10);/* IO口初始化 主要是為了避免SPI總線上的其他設(shè)備 *//* 配置systic作為1ms中斷 *///uIP協(xié)議棧需要使用時鐘，為TCP和ARP的定時器服務(wù)。//需根據(jù)芯片調(diào)整/* 初始化SPI2 *///我這里的網(wǎng)卡和芯片的通信是spi協(xié)議，所以還需要初始化spi口/* KSZ8851初始化 *///網(wǎng)卡初始化/* UIP協(xié)議棧初始化 */uip_init();/* 設(shè)置本機IP地址 */uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,15); uip_sethostaddr(ipaddr);/* 設(shè)置默認(rèn)路由器IP地址 */uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,1); uip_setdraddr(ipaddr);/* 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)掩碼 */uip_ipaddr(ipaddr, 255,255,255,0); uip_setnetmask(ipaddr); // MODBUS TCP偵聽默認(rèn)端口 502eMBTCPInit(MB_TCP_PORT_USE_DEFAULT); eMBEnable();/* 打印本機IP地址 */ // printf("\r\nuip start!\r\n"); // printf("ipaddr:192.168.1.15\r\n");while (1){ /*總線偵聽*/eMBPoll();/* 讀取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,返回數(shù)據(jù)長度 */uip_len = tapdev_read();/* 收到數(shù)據(jù) */if(uip_len > 0) {/* 收到IP數(shù)據(jù)包，調(diào)用uip_input()處理IP數(shù)據(jù)包 */if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_IP)){uip_arp_ipin();uip_input();/* 處理完成后如果UIP_BUF里有數(shù)據(jù)，即uip_len>0，則發(fā)送出去*/if (uip_len > 0){uip_arp_out();tapdev_send();}}/* 收到ARP數(shù)據(jù)包，調(diào)用uip_arp_arpin處理ARP報文 */else if (BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_ARP)){uip_arp_arpin();/* 查看是否有要發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送*/if (uip_len > 0){tapdev_send();}}}/* 0.5秒定時器超時 查看0.5s是否到了，調(diào)用uip_periodic處理TCP超時程序*/if(timer_expired(&periodic_timer)) {timer_reset(&periodic_timer);/* 處理TCP連接, UIP_CONNS缺省是10個 */for(uint8_t i = 0; i < UIP_CONNS; i++){/* 處理TCP通信事件 */uip_periodic(i); if(uip_len > 0){uip_arp_out();tapdev_send();}} /* 定期ARP處理 10s到了就處理ARP*/if (timer_expired(&arp_timer)){timer_reset(&arp_timer);uip_arp_timer();}}} }

四、測試

測試環(huán)境
局域網(wǎng)下板卡與路由器采用網(wǎng)線連接，PC端模擬上位機通過wifi接入局域網(wǎng)，使用Modbus Poll模擬modbus主機，向從機發(fā)出查詢指令。

測試內(nèi)容
? 串口打印信息：初始化各模塊、建立連接、收到請求、關(guān)閉連接
? Wireshark抓包信息：TCP三次握手、keep-alive幀、modbus的收發(fā)。
? Modbus poll讀值：Modbus poll作為modbus主機能讀到從機對應(yīng)傳感器值的變化

測試結(jié)果
? 串口打印信息

? Wireshark抓包信息
下圖中192.168.2.2是PC的ip地址，而192.168.2.10為板卡設(shè)置的ip地址。

? Modbus poll讀值
下圖中左邊一列為傳感器的名稱，右邊為讀取相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的uip+freemodbus网络通信的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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