前言：

TCP/IP協議通過uip協議棧來實現，應用層的modbus協議使用freemodbus來實現，另外還需要一個網卡（筆者使用的是KSZ8851網卡控制器）來實現底層的數據傳輸（包括物理層、數據鏈路層）。
下面先介紹uip協議棧和freemodbus庫的使用，后續移植過程和測試結果再更新

一、uip協議棧

uIP協議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保存了網絡通訊必須使用的協議，設計重點放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP這些網絡層和傳輸層協議上，保證了其代碼的通用性和結構的穩定性。UIP提供的是封裝的策略。
由上往下逐步封裝用戶的數據，如：
應用層----------傳輸層--------網絡層------數據鏈路層-----物理層
應用數據—TCP封裝頭部—IP封裝頭部-----mac封裝+尾部-----發送

uIP協議棧與底層的交互
uIP提供了三個函數到底層，既uip_init()， uip_input() 和uip_periodic()，同時還提供了許多函數與堆棧交互。當設備驅動放一個輸入包到包緩存里(up_buf)，系統將調用uip_input()函數.函數將會處理這個包和需要時調用應用程序。當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，則說明沒有包要發送。周期計時是用于驅動所有的uIP內部時鐘事件。當周期計時激發，每一個TCP連接應該調用uIP函數uip_periodic()。連接編號傳遞的是作為自變量給uip_periodic()函數的。類似于uip_input()函數，當uip_periodic()函數返回，輸出的IP包要放到包緩存里。任何的事物需要經過一定的初始階段，在UIP協議里面通過uip_init()來初始化。

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

uIP 提供的接口函數有：
? 初始化 uIP 協議棧：uip_init()
? 處理輸入包：uip_input()
? 處理周期計時事件：uip_periodic()
? 開始監聽端口：uip_listen()
? 連接到遠程主機：uip_connect()
? 接收到連接請求：uip_connected()
? 主動關閉連接：uip_close()
? 連接被關閉：uip_closed()
? 發出去的數據被應答：uip_acked()
? 在當前連接發送數據：uip_send()
? 在當前連接上收到新的數據：uip_newdata()
? 告訴對方要停止連接：uip_stop()
? 連接被意外終止：uip_aborted()

二、應用層modbus協議（FreeModbus）

FreeModbus是針對通用的Modbus協議棧在嵌入式系統中應用的一個實現。Modbus協議是一個在工業制造領域中得到廣泛應用的一個網絡協議。一個Modbus通信協議棧包括兩層：定義了數據結構和功能Modbus應用協議和網絡層。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 (0x01)；寫單個線圈 (0x05)；寫多個線圈 (0x0F)；讀輸入狀態 (0x02)；報告從機標識 (0x11)；
應用Modbus TCP協議，當準備處理一個新數據幀的時候，移植層就必須首先向協議棧發送一個事件標志。然后，協議棧調用一個返回值為接收到的Modbus TCP數據幀的函數，并且開始處理這個數據幀。如果數據有效，則相應的Modbus反饋幀將提供給移植層生成反饋幀。最后，該反饋被發送到客戶端。
FreeModbus必須首先調用初始化功能eMBInit()函數（使用modbus TCP模式時使用eMBTCPInit()函數），然后調用eMBEnable()，最后在循環體中調用eMBPoll()函數。

eMBTCPInit()函數
該函數主要設置偵聽的端口和對需要調用的函數指針進行復制：
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;
右邊的函數如eMBTCPStart、eMBTCPStop等定義在mbtcp.c中

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

eMBPoll()總線偵聽函數
檢查是否有事件發送，如果有，則根據不太類型的事件響應：
? EV_READY事件，表示系統剛剛進入偵聽狀態，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：調用peMBFrameReceiveCur()函數，解析出地址、數據和長度；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送），就調用xMBPortEventPost( EV_EXECUTE )，將接收器的狀態更改為EV_EXECUTE；
? EV_EXECUTE事件，在函數列表中檢查，有沒有與命令字段相符合的函數，若有則執行響應的函數，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（即表示從機為發送狀態），則調用peMBFrameSendCur()函數，開始發送數據包
? EV_FRAME_SENT事件，直接break（響應寫進EV_EXECUTE事件中）

三、移植過程

先展示一下加入的uip協議棧和freemodbus庫在工程中的示例

運行的主函數

int main() {timer_typedef periodic_timer, arp_timer;uip_ipaddr_t ipaddr;/* 設定查詢定時器 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總線上的其他設備 *//* 配置systic作為1ms中斷 *///uIP協議棧需要使用時鐘，為TCP和ARP的定時器服務。//需根據芯片調整/* 初始化SPI2 *///我這里的網卡和芯片的通信是spi協議，所以還需要初始化spi口/* KSZ8851初始化 *///網卡初始化/* UIP協議棧初始化 */uip_init();/* 設置本機IP地址 */uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,15); uip_sethostaddr(ipaddr);/* 設置默認路由器IP地址 */uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,1); uip_setdraddr(ipaddr);/* 設置網絡掩碼 */uip_ipaddr(ipaddr, 255,255,255,0); uip_setnetmask(ipaddr); // MODBUS TCP偵聽默認端口 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();/* 讀取以太網數據包,返回數據長度 */uip_len = tapdev_read();/* 收到數據 */if(uip_len > 0) {/* 收到IP數據包，調用uip_input()處理IP數據包 */if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_IP)){uip_arp_ipin();uip_input();/* 處理完成后如果UIP_BUF里有數據，即uip_len>0，則發送出去*/if (uip_len > 0){uip_arp_out();tapdev_send();}}/* 收到ARP數據包，調用uip_arp_arpin處理ARP報文 */else if (BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_ARP)){uip_arp_arpin();/* 查看是否有要發送的數據并發送*/if (uip_len > 0){tapdev_send();}}}/* 0.5秒定時器超時 查看0.5s是否到了，調用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

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

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

測試結果
? 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，右邊為讀取相應傳感器的數據。

總結

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

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