單芯片解決方案，開啟全新體驗——W55MH32 高性能以太網單片機

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網單片機，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗。這顆芯片將強大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數據處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協議棧、內置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網收發緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現了All-in-One解決方案，為開發者提供極大便利。

在封裝規格上，W55MH32 提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復雜工控場景設計。它擁有66個GPIO、3個ADC、12通道DMA、17個定時器、2個I2C、5個串口、2個SPI接口（其中1個帶I2S接口復用）、1個CAN、1個USB2.0以及1個SDIO接口。如此豐富的外設資源，能夠輕松應對工業控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執行器的通信，還是對復雜工業協議的支持，都能游刃有余，成為復雜工控領域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網關模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進入http://www.w5500.com/網站或者私信獲取。

此外，本W55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網絡通信安全再添保障。

為助力開發者快速上手與深入開發，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發板。開發板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數據線，就能輕松實現調試、下載以及串口打印日志等功能。開發板將所有外設全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發者全面評估芯片性能。

若您想獲取芯片和開發板的更多詳細信息，包括產品特性、技術參數以及價格等，歡迎訪問官方網頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第二十九章 W55MH32 Modbus_TCP_Server示例

本篇文章，我們將詳細介紹如何在W55MH32芯片上面實現Modbus TCP協議。并通過實戰例程，為大家講解如何在W55MH32上使用Modbus TCP作為服務器，監聽端口，與客戶端進行通信。

該例程用到的其他網絡協議，如DHCP，請參考相關章節。有關 W55MH32 的初始化過程，請參考 Network Install章節，這里將不再贅述。

1 Modbus TCP簡介

Modbus TCP是一種基于以太網的通信協議，它是經典Modbus協議的擴展。Modbus協議最初由Modicon公司在1979年開發，廣泛應用于工業自動化系統，用于實現不同設備之間的數據通信。Modbus TCP結合了Modbus協議的簡單性和以太網的高效性，是一種開放、標準化且廣泛使用的工業通信協議。

2 Modbus TCP的基本原理

Modbus TCP使用TCP/IP協議棧進行通信，運行在OSI模型的傳輸層（TCP層）之上。設備之間通過以太網接口連接，數據通過TCP端口（通常是502端口）傳輸。

主從架構：

主機（Master）：主動發起請求的設備（通常是PLC或工業PC）。

從機（Slave）：響應主機請求的設備（如傳感器、執行器、IO模塊）。

數據傳輸：主機向從機發送請求，從機解析后執行相應操作，并返回結果。通信過程包括功能碼、地址、數據值和錯誤校驗等內容。

3 Modbus TCP的優勢

開放性： 不需要支付許可證費用，廣泛支持。

簡潔性： 數據格式簡單易懂，開發和維護成本低。

兼容性： 支持多種工業設備和系統。

實時性： 基于TCP/IP，通信速度快，延遲低。

可擴展性： 能夠集成到基于以太網的工業網絡中。

4注意事項

通信可靠性： TCP連接可能存在斷開或超時的情況，需要進行異常處理。

數據安全性： Modbus TCP本身不包含加密機制，可使用TLS等協議增加安全性。

設備地址： 每個從機需要唯一的單元標識符（Unit Identifier）。

網絡配置： 需正確設置IP地址、子網掩碼和網關。

Modbus TCP因其高效性和兼容性，已成為工業物聯網（IIoT）和工業4.0中不可或缺的一部分。

5應用場景

接下來，我們了解下在W55MH32上，可以使用Modbus TCP協議完成哪些操作及應用呢？

1.工業自動化控制系統（PLC、SCADA等）：通過與PLC和SCADA系統集成，W55MH32可以實現設備的實時監控與控制，支持生產線的參數調整、啟動和停止等操作，同時能夠采集傳感器數據并上傳至控制系統，用于分布式管理和優化工業流程。

2.智能樓宇自動化（HVAC系統、能源管理）：W55MH32可連接樓宇的HVAC設備，支持遠程調節空調和通風系統，并采集電力、水、氣等能耗數據，上傳至能源管理系統，幫助優化樓宇能效。此外，還可集成智能照明和安防傳感器，實現更智能的樓宇管理。

3.數據采集與監控（遠程I/O模塊、傳感器網絡）：通過遠程I/O模塊，W55MH32能夠采集溫度、壓力、濕度等多種傳感器數據，并實現遠程監控與報警功能。采集的數據還能用于設備健康狀態分析，支持預測性維護，提升設備可靠性。

4.工業設備互聯（變頻器、伺服驅動器）：W55MH32可與變頻器、伺服驅動器等設備通信，實現參數調節和運行狀態監控，支持高精度的運動控制和狀態反饋。同時，作為中轉站，它還能實現不同設備之間的互聯互通，構建開放的工業互聯生態。

6 Modbus TCP報文結構

Modbus TCP報文由以下幾個部分組成：

事務處理標識符（2字節）：用于標識請求與響應之間的配對。主機在請求中設置一個唯一的標識符，從機在響應中回傳相同的值，方便主機識別對應的響應。

協議標識符（2字節）：通常為0x0000，表示該報文使用的是Modbus協議。

長度字段（2字節）：表示后續數據的字節數（不包括事務處理標識符和協議標識符）。

單元標識符（1字節）：標識目標從機設備的地址。在Modbus TCP中，該字段通常用于區分邏輯設備。

功能碼（1字節）：定義當前操作的類型（如讀寫寄存器等）。

數據部分（可變長度）：包含具體的操作數據，例如寄存器地址、要讀取或寫入的值等。

7 Modbus TCP常用功能碼

功能碼 0x01：讀取線圈狀態，用于讀取從機設備中的一組線圈狀態（0或1）。

功能碼 0x02：讀取離散輸入，用于讀取從機設備中的一組離散輸入狀態（只讀，0或1）。

功能碼 0x03：讀取保持寄存器，用于讀取從機設備中的一組保持寄存器值（通常是可讀寫的數值）。

功能碼 0x04：讀取輸入寄存器，用于讀取從機設備中的一組輸入寄存器值（只讀數據）。

功能碼 0x05：寫單個線圈，用于寫入從機設備中的一個線圈狀態（設置為0或1）。

功能碼 0x06：寫單個寄存器，用于向從機設備中的一個保持寄存器寫入數據。

功能碼 0x0F：寫多個線圈，用于同時寫入從機設備中的多個線圈狀態。

功能碼 0x10：寫多個寄存器，用于同時向從機設備中的多個保持寄存器寫入數據。

8實現過程

接下來，我們在W55MH32上實現Modbus TCP協議服務器模式：

注意：測試實例需要PC端和W55MH32處于同一網段。

步驟一：初始化并注冊LED相關函數

1.     user_led_init();
2. 
3.     user_led_control_init(get_user_led_status, set_user_led_status);
4. 

在程序初始化部分添加LED所使用的GPIO外設初始化和注冊設置、獲取LED狀態的函數，用于在接收到特定的Modbus TCP數據時進行狀態的顯示。

user_led_control_init()函數如下：

1. void user_led_control_init(int(*get_fun)(void),void(*set_fun)(uint32_t))
2. {
3.     if(get_fun!= NULL&& set_fun!= NULL)
4.     {
5.         getUserLED_cb= get_fun;
6.         setUserLED_cb= set_fun;
7.     }
8. }

user_led_control_init()為LED控制初始化函數，允許用戶注冊兩個回調函數：一個用于獲取LED狀態，另一個用于設置LED狀態。這些回調函數將在get_led_status()和set_led_status()函數中被調用。函數如下：

1. int get_led_status(void)
2. {
3.     return getUserLED_cb();
4. }
5. void set_led_status(int32_t val)
6. {
7.     setUserLED_cb(val);
8. }

get_led_status()和set_led_status()為獲取和設置LED狀態的函數，get_led_status()函數調用注冊的獲取LED狀態的回調函數，并返回其返回值。set_led_status()函數調用注冊的設置LED狀態的回調函數，并傳入新的狀態值。

步驟二：主循環調用do_Modbus()函數

1.  while(1)
2.     {
3.         do_Modbus(SOCKET_ID);
4.     }

在循環中不斷執行do_Modbus()函數的操作，用于處理Modbus TCP通信，根據套接字的不同狀態執行相應的操作，包括監聽連接請求、處理連接建立事件、接收和處理數據以及關閉連接等。

步驟三：進入do_Modbus()函數，處理接收的報文

 1.  void do_Modbus(uint8_t sn)
 2. {
 3.     uint8_t state=0;
 4.     uint16_t len;
 5.     getSIPR(lip);
 6.     state= getSn_SR(sn);
 7.     switch(state)
 8.     {
 9.     case SOCK_SYNSENT:
10.         break;
11.     case SOCK_INIT:
12.         listen(sn);
13.         if(!b_listening_printed)
14.         {
15.             b_listening_printed=1;
16.             printf("Listening on %d.%d.%d.%d:%drn",
17.                    lip[0], lip[1], lip[2], lip[3], local_port);
18.         }
19.         break;
20.     case SOCK_LISTEN:
21.         break;
22.     case SOCK_ESTABLISHED:
23.         if(getSn_IR(sn)&Sn_IR_CON)
24.         {
25.             setSn_IR(sn,Sn_IR_CON);
26.             printf("Connectedrn");
27.             getSn_DIPR(sn, rip);
28.             port= getSn_DPORT(sn);
29.             printf("RemoteIP:%d.%d.%d.%d Port:%drn", rip[0], rip[1], rip[2], rip[3], port);
30.  
31.             if(b_listening_printed)
32.                 b_listening_printed=0;
33.         }
34.         len= getSn_RX_RSR(sn);
35.         if(len>0)
36.         {
37.             mbTCPtoEVB(sn);
38.         }
39.         break;
40.     case SOCK_CLOSE_WAIT:
41.         disconnect(sn);
42.         break;
43.     case SOCK_CLOSED:
44.     case SOCK_FIN_WAIT:
45.         close(sn);
46.         socket(sn,Sn_MR_TCP, local_port,Sn_MR_ND);// Sn_MR_ND
47.         break;
48.     default:
49.         break;
50.     }
51. 

首先，程序會獲取本地IP地址和指定socket的狀態，根據socket的狀態，執行相應的操作。例如，如果socket處于監聽狀態，則開始監聽；如果處于已建立連接狀態，則處理接收到的數據。在處理已建立連接狀態時，檢查是否有新的連接請求，并打印連接信息（包括遠程IP地址和端口號）。如果有接收到的數據，則調用mbTCPtoEVB()函數檢查Modbus TCP數據并執行對應操作。mbTCPtoEVB()函數內容如下：

 1. void mbTCPtoEVB(uint8_t sn)
 2. {
 3.     if(MBtcp2evbFrame()!=0)                        // Frame received complete
 4.     {
 5.         if(pucASCIIBufferCur[0]==0x01)             // Check whether the device address is 0x01
 6.         {
 7.             if((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1]==0x05)// Write to a single device
 8.             {
 9.                 if((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4]==0xff)
10.                 {
11.                     set_led_status(0);
12.                     printf("LED ONrn");
13.                 }
14.                 elseif((uint8_t)pucASCIIBufferCur[4]==0x00)
15.                 {
16.                     set_led_status(1);
17.                     printf("LED OFFrn");
18.                 }
19.                 send(sn, recv_data, recv_len);
20.             }
21.             elseif((uint8_t)pucASCIIBufferCur[1]==0x01)// Read Write to a single device
22.             {
23.                 if(recv_data[recv_len-1]!=0x01)
24.                 {
25.                     printf("len error!%xrn", recv_data[recv_len-1]);
26.                 }
27.                 else
28.                 {
29.                     printf("Read OK!rn");
30.                     send_data[0]= recv_data[0];
31.                     send_data[1]= recv_data[1];
32.                     send_data[2]= recv_data[2];
33.                     send_data[3]= recv_data[3];
34.                     send_data[4]=0x00;
35.                     send_data[5]=0x04;
36.                     send_data[6]=0x01;
37.                     send_data[7]=0x01;
38.                     send_data[8]=0x01;
39.                     send_data[9]=~get_led_status();
40.                     send_len    =10;
41.                     send(sn, send_data, send_len);
42.                     memset(send_data,0, send_len);
43.                 }
44.             }
45.             else
46.             {
47.                 printf("error code!rn");
48.             }
49.         }
50.         else
51.         {
52.             printf("address error!rn");
53.         }
54.     }
55. }
56. 

mbTCPtoEVB()函數用于處理從Modbus TCP接收到的數據，根據數據內容執行相應的操作，包括寫單個設備和讀單個設備操作，并根據操作結果發送響應數據。比如在接收到一段Modbus TCP數據之后，首先會進行檢查、比對，符合預設的值時，對LED進行開或關的狀態設置，并打印相應的信息，再調用send()函數將接收到的數據原樣發送回去。如果接收到的數據不符合預期，會打印相應的錯誤信息。

9運行結果

燒錄例程運行后，首先可以看到進行了PHY鏈路檢測，然后打印了設置的網絡地址信息，然后開始監聽地址和端口號，信息如下圖所示：

我們使用網絡調試助手進行連接：

然后發送“00 01 00 00 00 06 01 01 00 00 00 01”報文后回復“0 01 00 00 00 04 01 01 01 FE”如下圖所示：

接著我們發送“ 01 00 00 00 06 01 05 00 00 ff 00 00 00”令，LED就被打開了，且指令被進行了回傳：

發送“0 01 00 00 00 06 01 05 00 00 00 00 00 00”可以關閉LED：

10總結

本文講解了如何在 W55MH32芯片上實現 Modbus TCP協議的服務器模式，通過實戰例程展示了從初始化 LED相關函數、主循環調用處理函數到解析處理接收到的報文的完整過程。文章詳細介紹了 Modbus TCP的概念、基本原理、優勢、注意事項、應用場景、報文結構和常用功能碼，幫助讀者理解其在工業通信中的實際應用價值。

下一篇文章將講解在 W55MH32芯片上實現 HTTP_Server與 NetBIOS功能，解析如何通過 NetBIOS名稱訪問 HTTP服務器的網頁內容，同時通過實戰例程講解具體實現步驟與要點，敬請期待！

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審核編輯 黃宇