從0開始FreeModbus應(yīng)用-chang原創(chuàng)

從0開始FreeModbus應(yīng)用-chang原創(chuàng)從應(yīng)用角度學習FreeModbus前言FreeModbus本身沒有什么說明文檔。網(wǎng)上已經(jīng)有了一些介紹，有些是內(nèi)核分析，很有深度；有一些是應(yīng)用筆記，實際應(yīng)用時可能會用到。作為一個新入，我并不想了解那么多。我只想按步就班地知道到底要怎樣能夠很快地用起來。收集了一些資料，花了一些時間才終于基本搞清楚了一個大概。下面我從新人應(yīng)用的角度來談?wù)?，參考甚至抄摘了前人的文檔。入手主要是FreeModbus-V1.5自帶的AVR平臺下的DEMO項目，適當考慮FREERTOS下的特點。FreeModbus簡介（本節(jié)摘抄自“百度百科”的詞條“FreeModbus”)FreeMODBUS一個奧地利人寫的Modbus協(xié)議。它是一個針對嵌入式應(yīng)用的一個免費（自由）的通用MODBUS協(xié)議的移植。Modbus是一個工業(yè)制造環(huán)境中應(yīng)用的一個通用協(xié)議。Modbus通信協(xié)議棧包括兩層：Modbus應(yīng)用層協(xié)議，該層定義了數(shù)據(jù)模式和功能；另外一層是網(wǎng)絡(luò)層。FreeMODBUS提供了RTU/ASCII傳輸模式及TCP協(xié)議支持。FreeModbus遵循BSD許可證，這意味著用戶可以將FreeModbus應(yīng)用于商業(yè)環(huán)境中。目前版本FreeModbus-V1.5提供如下的功能支持：表1FreeModbus-V1.5功能支持代碼描述是否支持備注0x16屏蔽寫寄存器否0x17讀/寫多個寄存器是0x18寫FIFO否0x2B封裝接口傳輸否0x2B/0x0DCANopen參考請求與應(yīng)答否0x2B/0x0E讀設(shè)備身份表示否準備工作下載FreeModbus-V1.5.0.zip，解壓到當前文件夾。在當前文件夾下會生成“freemodbus-v1.5.0”目錄。如果選擇了解壓到“freemodbus-v1.5.0\”，則會形成兩級“freemodbus-v1.5.0”，可以不管，也可用復制粘貼的方法刪除一級。將此目錄(或兩級目錄)改為“freemodbus_v1.5.0”，否則后面用AVRSTUDIO4.12編譯時會出錯。下載ATMEL公司的AVRSTUDIO4.12并安裝。再下載AVR的GCC編譯器avr-toolchain-installer-10-win32.win32.x86.exe并安裝，它會集成到AVRSTUDIO4.12中。關(guān)于freemodbus和STUDIO工程，后面會結(jié)合freemodbus文件目錄結(jié)構(gòu)進一步介紹。繼續(xù)準備。下載并安裝虛擬串口VSPD。設(shè)置串口3與4互連（后面PROTEUS里面的硬件，串口設(shè)置為3；ModScan32主機軟件，串口設(shè)置為4），如圖所示：下載并安裝ModScan32包，綠色版里直接運行ModScan32.exe就行了。它可以當作ModBus主機，也可以查看收發(fā)的數(shù)據(jù)，起監(jiān)測作用。連接設(shè)置：菜單-->connection-->connect，出現(xiàn)下面界面，按圖設(shè)置：注意：串口是用的N,8,1的模式，沒有校驗位，原例子程序是需要有even偶校驗位，后面會改原代碼。因為總是模擬通不過，換這個就通過了，具體原因沒有去找。再點“rotocolselection”，如下圖設(shè)置：報文設(shè)置：菜單-->setup-->datadefine，然后如下圖所示：按上述連接并設(shè)置后，結(jié)果應(yīng)出現(xiàn)類似下面的顯示界面（如有不對，需設(shè)置數(shù)據(jù)格式等）：上面是正常取得寄存器地址1000~1004的數(shù)據(jù)時的情況（從機正常返回）?，F(xiàn)在沒有PROTEUS仿真，肯定是沒有正常返回的，應(yīng)是下面的界面：上面兩幅圖中，返回數(shù)據(jù)的寄存器是按31000的格式，因為這是3X系輸入寄存器。用功能碼04。從報文的角度，不用理會，仍認為是寄存器1000。下面會重點分析地址1000輸入寄存器的細節(jié)。為了監(jiān)控串口4的進出數(shù)據(jù)，可以設(shè)置：菜單-->setup-->displayoptions-->showtraffic，此時顯示下面界面（注意，選擇用HEX顯示，也是在setup菜單下進行選擇）：有黑色背景的是從串口4返回的（需有從機應(yīng)答），沒有背景的是本程序通過串口4發(fā)出去的。發(fā)出去的一幀報文是0a0403e7000440c1，共8個字節(jié)。0a--deviceid10，即從機地址，可以設(shè)置為1~247；04--功能碼04，為讀INPUTREGISTER；03e7--從機輸入寄存器起始地址，即十進字999；0004--寄存器個數(shù)為4個字（功能碼04是針對字寄存器）；40c1--CRC校驗值。這里不辭辛苦將報文寫出來，不是為了介紹報文，報文格式參見MODBUS標準。請關(guān)注寄存器起始地址，報文里寄存器的起始地址是999，比上述界面上的Address:1000少1。也即，這里主機的寄存器起始地址1000，可能的最小值是1，而報文的寄存器地址，可能的最小值是0。提前說一下，F(xiàn)reeModbus里需要我們編寫的幾個回讀函數(shù)，其寄存器地址，也是從1開始的，報文里的地址需減1。言歸正傳，接著做準備工作?，F(xiàn)在請下載并安裝PROTEUS仿真軟件。我這里的版本是7.8SP2。打開ISIS畫原理圖，如圖所示：注意，P1串口接口元件接收發(fā)送腳與單片機串口腳的連接關(guān)系，很多人搞不明白。從串口接口來看，其接收端和發(fā)送端是從具有這個串口的設(shè)備本身的角度來看的，比如，計算機具有的串口，其RXD腳是指計算機的接收腳。在這里，P1的RXD腳就是指這個從機的接收腳了，所以其意義是與單片機的RXD是一致的，于是它們連接在一起。虛擬終端V1，提供了一個在進行PROTEUS仿真時，可以直接與串口接口P1相連的設(shè)備。其相當于是一個獨立的顯示和輸入終端，接收和發(fā)送腳是針對它自己而言的。其RXD接收腳可以接P1的RXD，意思是監(jiān)控從機接收的數(shù)據(jù)；也可以接P1的TXD，意思是監(jiān)控單片機發(fā)出去的數(shù)據(jù)。如果要從V1敲入報文，將V1當作主機，也是可以的，就不需要ModScan32程序，但是會比較麻煩，此時應(yīng)將V1的發(fā)送腳TXD接P1的RXD腳。這個V1終端在這里不是必須的，這里主要用來監(jiān)控單片機通過串口3（在P1里設(shè)置）接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。注意，應(yīng)在PROTEUS運行時，點菜單-->調(diào)試-->VertureTerminalV1，顯示出端口界面，在界面上右鍵再選中“HexDisplayMode”，否則，非顯示字符是顯示不出來的。用AVRSTUDIO聯(lián)調(diào)是一樣的設(shè)置。V1的屬性設(shè)置如下：單片機的設(shè)置如下：注意兩點：單片機型號和頻率應(yīng)和AVRSTUDIO項目中的設(shè)置一樣；“ProgramFile”是從機程序，這里是DEMO編譯輸出，可以是.HEX也可以是.COF等。P1的設(shè)置如下：FreeModbus文件結(jié)構(gòu)......|-<freemodbus_v1.5.0>主目錄，注意下劃線|-<demo>例子目錄||-<AT91SAM7X_ROWLEY>基于AT91SAM7X_ROWLEY平臺例子，未展開||-<ATSAM3S>基于ATSAM3S平臺例子，未展開||-<ATSAM3S_FREERTOS>基于ATSAM3S_FREERTOS平臺例子，未展開||-<AVR>基于AVR平臺例子|||-<PORT>AVR硬件平臺下與移植有關(guān)的目錄||||-mbcrc.c√適用于AVR和GNC的CRC程序，可減少RAM。注1||||-port.h√頭文件||||-portevent.c√事件相關(guān)。注2。||||-portserial.c√串口相關(guān)。||||-porttimer.c√定時器相關(guān)。|||-demo.c√本文所主要分析的例程，main()所在。|||-excoils.cAVR下另一個例程，其main()所在。|||-makefile本demo例程在GNC下的編譯配置文件，用STUDIO時不用。|||-README.txtFREEMODBUS0.4AVREXAMPLE說明文檔。||-<BARE>BARE平臺例子，未展開。||-<......>其它平臺例子，未展開。|-<doc>一些文本文檔，未展開。|-<modbus>FreeModbus的主要目錄。||-<ascii>ascii模式有用的目錄。|||-mbascii.c|||-mbascii.h||-<functions>|||-mbfunccoils.c|||-mbfuncdiag.c|||-mbfuncdisk.c|||-mbfuncholding.c|||-mbfuncinput.c|||-mbfuncother.c|||-mbutils.c||-<include>|||-mb.h√|||-mbconfig.h√|||-mbframe.h√|||-mbfunc.h√|||-mbport.h√|||-mbproto.h√|||-mbutils.h√||-<rtu>rtu模式有用的目錄|||-mbcrc.c注1|||-mbcrc.h√|||-mbrtu.c√|||-mbrtu.h√||-<tcp>tcp通訊下有用的目錄|||-mbtcp.c|||-mbtcp.h||-mb.c√mb.c文件中定義了一系列的宏定義、函數(shù)指針及全局變量，|并使用優(yōu)先編譯指令預編譯一些程序代碼。|-<tools>|-...注1：在...\freemodbus_v1.5.0\demo\avr\port目錄和...\freemodbus_v1.5.0\modbus\rtu目錄中都有mbcrc.c，兩者并不一樣，雖然都可以使用，但后者是通用的，前者是專門針對AVR單片機優(yōu)化過的，可以大大減少RAM占用量。注2：將報文接收到響應(yīng)，分成若干狀態(tài)，狀態(tài)改變看作事件。本文以AVR平臺下的demo.c為例子來進行。FreeModbus對硬件的需求在移植之前，先要簡單考察一下自己的硬件跑不跑得動。（以下摘抄自“百度百科”的詞條“FreeModbus”）FreeModbus協(xié)議對硬件的需求非常少——基本上任何具有串行接口，并且有一些能夠容納modbus數(shù)據(jù)幀的RAM的微控制器都足夠了。一個異步串行接口，能夠支持接收緩沖區(qū)滿和發(fā)送緩存區(qū)空中斷。一個能夠產(chǎn)生RTU傳輸所需要的t3.5字符超時定時器的時鐘。對于軟件部分，僅僅需要一個簡單的事件隊列。在使用操作系統(tǒng)的處理器上，可通過單獨定義一個任務(wù)完成Modbus時間的查詢。小點的微控制器往往不允許使用操作系統(tǒng)，在那種情況下，可以使用一個全局變量來實現(xiàn)該事件隊列(AtmelAVR移植使用這種方式實現(xiàn))。實際的存儲器需求決定于所使用的Modbus模塊的多少。下表列出了所支持的功能編譯后所需要的存儲器。ARM是使用GNUARM編譯器3.4.4使用-O1選項得到的。AVR項數(shù)值是使用WinAVR編譯器3.4.5使用-Os選項編譯得到的。表2FreeModbus對硬件的需求ModuleARMCodeARMRAM(static)AVRCodeAVRRAM(static)ModbusRTU(Required)1132Byte272Byte1456Byte266ByteModbusASCII(Optional)1612Byte28Byte1222Byte16ByteModbusFunctions[1]1180Byte34Byte1602Byte34ByteModbusCore(Required)924Byte180Byte608Byte75BytePortingLayer(Required[2])1756Byte16Byte704Byte7ByteTotals7304Byte530Byte5592Byte398Byte實際大小決定于可支持的Modbus功能碼的多少。功能碼可以在頭文件mbconfig.h中進行配置。決定于硬件。以上摘抄自“百度百科”的詞條“FreeModbus”。AVR單片機MEGA168顯然在硬件上是滿足的。實際應(yīng)用時，因為不可能只是一個modbus單獨的實現(xiàn)，還要各其它的軟硬件功能結(jié)合起來，所以還需考慮兩點：中斷（主要是定時中斷），與其它中斷的優(yōu)先級關(guān)系，以及各應(yīng)用對開關(guān)中斷的控制的時間點。特別是基于RTOS應(yīng)用時。ROM/RAM空間的需求，從AVR下的DEMO來看，用AVRSTUDIO4.12并安裝GCC10，用-Os選項，實際所用ROM為5942byte，所用RAM為925byte（使用...\freemodbus_v1.5.0\modbus\rtu目錄下的mbcrc.c）。如下所示：AVRMemoryUsage----------------Device:atmega168Program:5942bytes(36.3%Full)(.text+.data+.bootloader)Data:925bytes(90.3%Full)(.data+.bss+.noinit)Buildsucceededwith3Warnings...改成使用...\freemodbus_v1.5.0\demo\avr\port目錄下的mbcrc.c（其它不變），最大變化是RAM用量大大減少，與上表基本相符，如下所示：AVRMemoryUsage----------------Device:atmega168Program:5946bytes(36.3%Full)(.text+.data+.bootloader)Data:413bytes(40.3%F