基于EncEthernet的FreeModbus-TCP
在stm32上的移植与测试
DanielLee_USTB 2013-3-27
QQ:382899443
昨天移植好了modbus-RTU，今晚开始在EncEthernet上的free modbus-TCP的移植，使用的开发板为火牛开发板，stm32f103+enc28j60网络方案。主流的TCP/IP协议栈包括uIP、LwIP等，EncEthernet协议栈是一款比较简单的协议栈，由厂家提供在stm32的开发板已经移植好，所以就直接使用，其他的协议的移植方法应该都大同小异。
一、相关知识
Modbus TCP/IP数据帧除了TCP已经有的包头外，还有modbus TCP协议数据单元（ADU），包括MBAP帧头以及与RTU数据内容相同的应用数据单元（PDU），地址码除外。
MBAP报文头定义
可以看出来，MBAP报文头主要添加了以下附加信息，为了识别是请求还是响应而设置的事务元标识符、为了判断协议类型设置的协议标识符、为了区分可变长度数据帧结束的数据帧长度、还有用于标识从站地址，与RTU不同的是，从地址放在了MBAP帧头里。
二、代码移植
前两天已经基于BARE工程移植好RTU模式，仿照相应思路实现TCP的一些函数功能，在mbtcp.c中可以发现，包括TCP初始化（xMBTCPPortInit）、TCP启动（eMBTCPStart）、TCP停止（eMBTCPStop）、TCP接收一个数据包（xMBTCPPortGetRequest）、TCP发送一个数据包（xMBTCPPortSendResponse）等，为了实现free-modbus与EncEthernet对接，在port文件夹下建立porttcp.c文件,在其中包含头文件ip_arp_udp_tcp.h。
(1) xMBTCPPortInit( ucTCPPort )
这是以太网TCP端口初始化函数，怎么觉得参数有点少呢，绑定TCP端口至少需要mac地址、ip地址以及端口地址吧，这里面只与端口有关，看来只能把他们隐藏了。
于是加入
enc28j60Init(mymac);
enc28j60PhyWrite(PHLCON,0x476);
init_ip_arp_udp_tcp(mymac,myip,mywwwport);
这个几个函数作为TCP端口初始化。
(2) eMBTCPStart
其实在EncEthernet中只要进行了协议栈的初始化，就已经启动了协议栈，可直接使用。
(3) eMBTCPStop
这个函数是作为TCP端口关闭的函数，其实在modbus中调用它的是eMBClose，而在协议中没有调用eMBClose把modbus给关掉，所以这个函数不用去实现。
(4) xMBTCPPortGetRequestTCP接收一个数据包
调用enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE, buf)进行判断，当然希望移植的modbus除了能处理modbus-TCP包外还能对一些正常数据包进行响应，比如arp请求、ping命令等，所以在之后添加了包头验证，当确定传入包是有数据的TCP/IP包才返回TRUE。
(5) xMBTCPPortSendResponse TCP 发送一个数据包
封装xMBTCPPortSendResponse发送写好的TCP包即可。
接口部分移植完毕，下面软件仿真一下看看modbusTCP运行的流程。
先看main函数：
eMBErrorCode eStatus;
SystemInit();
SPI_Enc28j60_Init();
eStatus = eMBTCPInit(502 );
eStatus =eMBEnable( );
for( ;; ){
( void)eMBPoll( );
usRegInputBuf[0]++;
}
与modbus-RTU模式类似，只是多了对ENC28J60SPI端口的初始化函数，使用eStatus = eMBTCPInit( 502 )对TCP/IP协议栈进行初始化，进入到eMBPoll（）。到这里的时候发现在 if( xMBPortEventGet(&eEvent ) == TRUE )条件一直为假，也就是事件队列没有事件，RTU模式下是定时器触发的，TCP模式下到底应该谁去触发它呢？ TCP模式没有控制状态转换状态机有木有！没有东西修改队列检索事件的函数xMBPortEventGet，就不能被eMBPoll周期性地调用！这可是个大问题。
由于网络数据包这里并不是用的中断方式，所以只能有以下解决方法：在eMBTCPStart中加上一个xMBPortEventPost(EV_FRAME_RECEIVED)，那么这样进入到eMBPoll的时候就会调用eMBTCPReceiveàxMBTCPPortGetRequest去读取数据包，如果是modbus-TCP包的话就把返回MB_ENOERR，再对MBAP帧头进行判断，查看协议类型，跳过MBAP帧头，传递了正确的数据包后进入EV_EXECUTE状态就会调用相应的函数进行处理，如果不是广播帧则返回处理后的TCP数据包，调用完xMBTCPPortSendResponse再发送事件xMBPortEventPost(EV_FRAME_RECEIVED)即可。如果不是想要的TCP数据包，在xMBTCPPortGetRequest里面也加入xMBPortEventPost(EV_FRAME_RECEIVED)，进入下一轮查询，这样可以响应ARP、PING命令的数据包等。
测试下ping命令，设置开发板ip地址为222.28.40.18，与我的电脑接在同一个路由器上，可以看到返回的响应了！
Ping 目标板响应
三、运行流程
不过还不能高兴的太早，能测试通ping只能是TCP/IP的功能，那么接收以太网发来的modbus-TCP帧后是如何处理的呢？接下来分析一下，既然modbus-TCP发出来的数据包时TCP/IP包对modbus数据帧的封装，那么在调用peMBFrameReceiveCur（xMBTCPPortGetRequest）获得的数据包是带各种包头的，要把带以太网帧头、IP头、TCP头去掉才行，除此以外还需要实现TCP协议的三次握手功能，这还得在xMBTCPPortGetRequest中修改，主要去判断数据长度、是否为
arp请求、是否为空ip包、对ping命令做出响应、实现TCP协议的三次握手功能、以及获得modbus-TCP的MBAP帧头。
通过对代码的整体分析可以得出数据流在modbus协议栈是这样流动的，如图所示：
Freemodbus-TCP中数据流向
数据接收：
由于在eMBPoll中数据是逐渐调用的，这里不妨从数据接收的源头开始理清思路。当一帧数据到来之后，通过enc28j60PacketReceive接收到了一个完整的TCP包，包括以太网头、IP头、TCP头以及modbusTCP/IP 应用数据单元ADU。接着被xMBTCPPortGetRequest调用去掉了各种header，然后经过eMBTCPReceive(peMBFrameReceiveCur)对MBAP的分析，将指向MBAP报文头的指针传到eMBPoll：EV_FRAME_RECEIVED中。
数据处理：
在eMBPoll ：EV_EXECUTE状态下调用对应的处理函数，这里以读入寄存器状态为例，调用的是eMBFuncReadInputRegister，对命令内容进行分析译码，调用eMBRegInputCB 填好请求的数据。
数据发送：
如果不是广播包的话，需要对数据进行回复，调用eMBTCPSend(peMBFrameSendCur)填好MBAP帧头的长度信息，再传给xMBTCPPortSendResponse enc28j60PacketSend填好header以及校验发送出去。
在EV_FRAME_RECEIVED接收完数据后，发现一个问题，按RTU的思路还要比较接收地址是不是给我们的地址，但是我们之前并没有制定我们自己的设备地址ucMBAddress，在xMBTCPPortInit初始化的时候只绑定了端口，就给地址设置带来不便，只有在TCP端口初始化像设定mac地址、ip地址那样设置从地址了，我们移植的原则是尽量不去修改下载的源码，一切修改都在接口的实现中完成。寻根溯源，在eMBTCPReceive看到这样的定义：
eMBTCPReceive： *pucRcvAddress =MB_TCP_PSEUDO_ADDRESS;
#defineMB_TCP_PSEUDO_ADDRESS 255 原来设备从地址居然是一个宏定义！协议栈是这样解释的：
/* Modbus TCP does not useany addresses. Fake the source address such
* that the processing partdeals with this frame.*/
原来modbus-TCP根本不需要从地址，因为已经有IP地址以及MAC地址进行了绑定！
四、通信测试
移植分析完毕，把程序下载到stm32板子中进行测试。
(1)测试工具
上位机采用TCP&UDP测试工具建立服务器
以及抓包工具wireshark
Wireshark 抓包工具
(2)测试内容
由于EncEthernet原协议TCP端口号只支持了一个字节，而modbus-TCP要用到502端口，超出了这一范围，稍加改动就可以正常与上位机连接了。
在wireshark中可以捕获到TCP协议三次握手连接以及断开过程如下图所示：
TCP三次握手建立连接
使用上位机TCP&UDP测试工具发送读取寄存器指令00 0000 00 00 00 ff 04 00 00 00 01
使用上位机发送的TCP数据帧
来读取GPIOA的数据，可是没有数据返回，先Debug一下看看板子有没有收到这个数据包，从结果看来确实收到了这个数据包，原来是数据发送有问题，修改xMBTCPPortSendResponse函数，先发送一个ACK应答包，再发送数据，就可以了！注意数据的格式。在wireshark中抓包如下图所示：
Wireshark收到的Modbus-TCP数据帧
上位机收到的modbus-TCP帧数据
更改上位机指令，使其发送读取3个寄存器（GPIOA-GPIOC）的值：
更改指令读取3个寄存器返回的数据
至此，经过了三天时间modbus-TCP模式终于能够正常通信了，真高兴！其实无论是移植EncEthernet，或是uIP、Lwip基本思路都是一样的，弄清楚数据接收以及发送的整个过程很重要，可以很好的帮助理解协议栈是如何运行的。