?前面我們設計實現了W5500的驅動程序，也講解了驅動的使用方式。在最近一次的項目應用中，正好有一個使用W5500實現TCP通訊的需求，所以我們就使用該驅動程序輕松實現。這一篇中我們就來說一說基于我們W5500通訊驅動程序實現TCP通訊的過程。

1、應用需求

??在本次應用中，要求實現一個基于W5500的Modbus TCP服務器。這個需求的描述雖然只有一句話，但是這個需求的內容可不簡單。我們首先來分析一下這個需求的具體內容。

??為了實現基于W5500的Modbus TCP服務器，我們必先須基于W5500實現一個TCP服務器。W5500本身是帶硬件協議棧的，但卻并不帶TCP服務器。不過在我們前面的關于外設驅動庫的系列文章中已經封裝了W5500的驅動，其中就帶有一個TCP服務器，我們可以直接采用就可以了。

??其次我們要在TCP服務器的基礎上實現Modbus TCP協議。關于Modbus協議棧，我們以前的文章就講述過Modbus通訊協議棧的開發問題。而且我們已經將我們開發的Modbus通訊協議棧開源。其中已經封裝了Modbus TCP服務器對象，所以我們直接采用這一Modbus通訊協議棧就可以了。

??有了驅動和協議棧，我們還需要考慮應用層面的具體問題，而且也只需要考慮應用層面的具體問題。這里就看出我們前面封裝外設驅動和Modbus通訊協議棧的價值所在了。關于應用層面的問題我們主要需要重點考慮幾個問題：

??第一，數據的存儲類型及地址范圍。我們知道Modbus協議常見的數據類型有4種。我們需要考慮在系統中需要使用到的類型及地址，這將決定Modbus協議數據處理回調函數的實現。

??第二，網絡配置問題，我們需要通過網絡訪問這臺下位機就需要要為其配置網絡。這存在靜態配置，動態配置和系統自動分配的問題。作為服務器，我們一般不會希望讓系統自動分配。所以我們需要考慮的是如何方便使用者為其分配地址的問題。

??第三，并發訪問的問題。掛載在網絡上的服務器肯定面臨多個客戶端來訪問的問題。W5500可以實現8個Socket，而Modbus TCP通用的默認端口號是502，當然也可以使用其它端口，只要不沖突就好。所以我們可以考慮使用不同的Socket和不同的端口號來實現并發訪問。

2、功能設計

??我們分析了基于W5500實現Modbus TCP服務器的需求。我們現在從硬件和軟件兩個方面來分析器功能的實現。

2.1、硬件功能設計

??我們知道W5500帶有硬件協議棧，集成有以太網控制器和物理層，所以對外我們只需要實現以太網變壓器和硬件接口就好了。但與控制器部分的連接則采用SPI接口，除此之外還需要提供中斷輸入和模式設定的相關接口。在這里我們設計器硬件連接如下：

??在上圖中，我們將中斷輸入引入到MCU的GPIO端口，而模式設定PMODE0、PMODE1、PMODE2均通過電阻上拉到電源。對于W5500來說PMODE0、PMODE1、PMODE2均為高電平表示開啟全部功能，所以我們直接拉高而不是引入到MCU引腳來控制。

2.2、軟件功能設計

??從需求來說，軟件的功能非常簡單，就是實現一個Modbus TCP服務器。但實際上，如我們前面所描述的那樣，軟件需要考慮的問題還是比較多的。從功能實現上主要有3個方面需要考慮：

??第一，實現TCP服務器，這個服務器用于在系統中輪詢處理，從W5500獲取數據和發送數據給W5500都需要通過這部分來實現。

??第二，TCP服務器得到數據后，我們需要解析數據，并根據解析的上位數據決定進一步的動作，還需要生成返回信息。這部分對應功能就是Modbus TCP服務器的實現。

??第三，根據Modbus TCP服務器解析出的Modbus消息，需要決定下一步的動作，這個具體動作根據功能碼的不同可能有不同需求，所以我們需要根據具體的要求實現不同功能碼的動作。

??根據上述的設計，我們可以簡單的將需要實現的軟件功能圖示如下：

??上圖中，因為W5500的TCP服務器以及Modbus TCP協議棧的相關函數我們都做了封裝，所以它們之間的調用都將以回調函數的方式實現。除了上述的軟件實現外，還需要注意必要的初始化配置。

3、應用實現

??根據我們前面的設計，接下來我們考慮一下這一需求的具體實現過程。我們將這一過程分為4個部分來分別描述。

3.1、系統的初始化

??在實現具體的功能之前，我們需要對硬件以及軟件環境做必要的初始化配置。具體到這里就是對W5500作必要的軟硬件配置，包括接口、網絡以及回調函數等。具體實例代碼如下：

/* 以太網通訊配置 */
void McEthernetConfiguration(void)
{
  uint8_t mac[6]={0x01, 0x08, 0xdc,0x00, 0xab, 0xcd}; //本地Mac地址
  uint8_t ip[4]={192, 168, 1, 190};          //本地IP地址
  uint8_t sn[4]={255,255,255,0};           //子網掩碼
  uint8_t gw[4]={192, 168, 1, 1};           //網關地址
  uint8_t dns[4]={0,0,0,0};              //DNS服務器地址
  
  /* 以太網使用GPIO初始化 */
  GPIO_Init_Configuration();
  
  /* SPI1端口初始化 */
  SPI1_Init_Configuration();
  
  /*W5500對象初始化函數*/
  W5500Initialization(&w5500,      //W5500對象
                      mac,        //本地Mac地址
                      ip,        //本地IP地址
                      sn,        //子網掩碼
                      gw,        //網關地址
                      dns,        //DNS服務器地址
                      NETINFO_STATIC,  //DHCP類型
                      EnterCritical,   //進入臨界區
                      ExitCritical,   //退出臨界區
                      EnableChipSelect, //片選使能
                      DisableChipSelect, //片選失能
                      ReadByteBySPI,   //SPI讀字節
                      WriteByteBySPI,  //SPI寫字節
                      W5500DataParsing, //報文解析函數
                      NULL        //數據請求函數
                      );
}

??在這個實例中，我們對網絡部分采用的是靜態配置，就是說網絡參數是固定不變的，而且我們的測試環境只限于局域網內。

3.2、數據處理函數

??數據處理函數是最靈活的，因為每個項目及每個人對數據處理的要求都是不一樣的，只要能符合應用要求就沒問題。需要說一下的是，這部分是Modbus協議棧對處理數據的要求，想要詳細了解的話，可以看我們以前關于Modbus協議站的文章。對于這個實例，數據處理函數如下：

/*獲取想要讀取的Coil量的值*/
void GetCoilStatus(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,bool *statusList)
{
 uint16_t start;
 uint16_t count;

 /*先判斷地址是否處于合法范圍*/
 start=(startAddress>CoilStartAddress)?((startAddress<=CoilEndAddress)?startAddress:CoilEndAddress):CoilStartAddress;
 count=((start+quantity-1)<=CoilEndAddress)?quantity:(CoilEndAddress-start);
 
 for(int i=0;i/*獲取想要讀取的保持寄存器的值*/
void GetHoldingRegister(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,uint16_t *registerValue)
{
 uint16_t start;
 uint16_t count;

 /*先判斷地址是否處于合法范圍*/
 start=(startAddress>HoldingRegisterStartAddress)?((startAddress<=HoldingRegisterEndAddress)?startAddress:HoldingRegisterEndAddress):HoldingRegisterStartAddress;
 count=((start+quantity-1)<=HoldingRegisterEndAddress)?quantity:(HoldingRegisterEndAddress-start);
 
 for(int i=0;i/*設置單個線圈的值*/
void SetSingleCoil(uint16_t coilAddress,bool coilValue)
{
 /*先判斷地址是否處于合法范圍*/
 if(coilAddress<=12)
 {
  dPara.coil[coilAddress]=coilValue;
 }
}
 
/*設置多個線圈的值*/
void SetMultipleCoil(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,bool *statusValue)
{
 uint16_t endAddress=startAddress+quantity-1;
 if((startAddress<=12)&&(endAddress<=12))
 {
  for(int i=0;i/*設置單個寄存器的值*/
void SetSingleRegister(uint16_t registerAddress,uint16_t registerValue)
{
 bool noError=(bool)(((50<=registerAddress)&&(registerAddress<=59))
                   ||((73<=registerAddress)&&(registerAddress<=74))
                   ||((90<=registerAddress)&&(registerAddress<=91)));

 if(noError)
 {
  aPara.holdingRegister[registerAddress]=registerValue;
 }
 
}
 
/*設置多個寄存器的值*/
void SetMultipleRegister(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,uint16_t *registerValue)
{
 uint16_t endAddress=startAddress+quantity-1;
 
 bool noError=(bool)(((18<=startAddress)&&(startAddress<=28)&&(18<=endAddress)&&(endAddress<=28))
                   ||((50<=startAddress)&&(startAddress<=59)&&(50<=endAddress)&&(endAddress<=59))
                   ||((73<=startAddress)&&(startAddress<=74)&&(73<=endAddress)&&(endAddress<=74))
                   ||((90<=startAddress)&&(startAddress<=91)&&(90<=endAddress)&&(endAddress<=91)));
 if(noError)
 {
  for(int i=0;i

3.2、數據解析函數

??大家可能在前面的初始化函數中發現有一個名為W5500DataParsing的數據解析函數。這個函數是W5500驅動中，TCP服務器的要求，實現對數據的解析。因為具體的應用層協議解析多不勝數，所以設計成了回調函數，其函數原型如下：

/*解析接收到的數據*/
typedef uint16_t (*W5500DataParsingType)(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer);

??對于我們來說，我們需要根據具體的應用層協議來實現這一函數。不過我們采用的Modbus TCP協議，在我們的Modbus協議棧中已經實現了解析函數，所以我們調用如下：

/*報文解析函數*/
static uint16_t W5500DataParsing(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer)
{
  /*解析接收到的信息，返回響應命令的長度*/
  return ParsingClientAccessCommand(rxBuffer,txBuffer);
}

3.3、TCP服務器

??我們在前面已經說過了，需要對服務器進行輪詢。所以我們需要在一個進程中輪詢訪問W5500的TCP服務器。同樣我們也要考慮多客戶端同時訪問的問題，我們將輪詢函數實現如下：

/* 以太網通訊處理 */
void McEthernetProcess(void)
{
  /*TCP服務器數據通訊*/
  W5500TCPServer(&w5500,Socket0,502);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket1,503);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket2,504);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket3,505);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket4,506);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket5,507);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket6,508);
  
  W5500TCPServer(&w5500,Socket7,509);
}

??事實上使用同一個Socket和不同的端口也是可以實現多客戶端訪問的，但既然有8個Socket，用起來自然更好一點。

4、應用驗證

??我們已經根據需求實現了一個Modbus TCP服務器，究竟效果如何呢？我們還需要測試一下，以確認設計的正確性。

4.1、通訊測試

??我們將目標板連接到局域網中，使用著名的Modbus Poll軟件來測試一下我們設計的程序是否符合要求。

??我們首先在一臺機器上連接端口為504的Modbus TCP服務器，連接正常且數據獲取也完全正確。具體如下圖所示：

??同時，我們采用局域網內的另一臺機器連接端口為502的Modbus TCP服務器，連接正常且數據獲取也完全正確。具體如下圖所示：

??經過上述測試，我們可以確定我們實現的Modbus TCP服務器是可行的，而且在多客戶端并行訪問下也可以正確工作。

4.2、小結

??這一篇中，我們實現了可以支持多客戶端訪問的Modbus TCP服務器，經測試運行也符合設計預期。這里我們將需要考慮的幾個問題總結如下：

??關于初始化配置的問題，在這個例子中，我們對網絡的配置是直接在軟件上固定死的，這樣做雖然簡單直接但并不是一個好的選擇。更好的辦法是可以讓使用者自己配置，方法有多種，可以根據自己的實際情況，在軟件上進一步的考慮。

??關于數據處理的問題，具體的數據處理與實際的應用需求有關，也與應用層協議的要求有關，這個例子中實現的Modbus的數據處理函數并不是唯一的，但可參考其思路。

??關于數據解析的問題，在本例中實現的是Modbus TCP服務器的解析函數。對于不同的應用協議需要編寫不同的解析函數，這部分是靈活性最大的，支持所有可運行于TCP應用層的通訊協議。

??關于多客戶端訪問的問題，W5500可以實現8個Socket，而Modbus TCP默認端口號是502，當然也可以使用其它端口。所以我們可以考慮使用不同的Socket和不同的端口號來實現并發訪問。事實上，經過我們測試使用同一個Socket和不同的端口也是可以實現多客戶端訪問的，有興趣的同仁可以試試。