基于STM32与W5500的Modbus TCP协议实现指南

一、硬件架构设计

1. 核心硬件组成

   • 主控芯片：STM32F103（Cortex-M3内核，72MHz主频）

   • 网络模块：W5500（集成MAC+PHY，支持TCP/IP硬件协议栈）

   • 通信接口：SPI（STM32 SPI2 ↔ W5500 SCK/MISO/MOSI/CS）

   • 辅助引脚：RST（复位）、INT（中断）

2. 硬件连接

   STM32引脚	W5500引脚	功能说明
   PB13	SCK	SPI时钟信号
   PB14	MISO	SPI主设备输入/从设备输出
   PB15	MOSI	SPI主设备输出/从设备输入
   PB12	CS	SPI片选（低电平有效）
   PC6	RST	硬件复位（高电平有效）
   PC7	INT	中断信号（低电平触发）

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二、软件实现流程

1. 驱动移植

• W5500驱动配置

  // SPI读写函数（HAL库实现）
  uint8_t SPI_WriteRead(uint8_t data) {
      HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, &data, &data, 1, 1000);
      return data;
  }
  
  // W5500寄存器操作回调注册
  void W5500_Register_Callbacks() {
      reg_wizchip_spi_cbfunc(SPI_WriteRead, SPI_WriteRead);  // 读写回调
      reg_wizchip_cs_cbfunc(W5500_CS_Select, W5500_CS_Deselect); // 片选控制
  }

• FreeModbus协议栈移植

  // Modbus TCP端口初始化（基于LwIP）
  BOOL xMBTCPPortInit(USHORT usTCPPort) {
      socket_init(SOCK_TCP, Sn_MR_TCP, usTCPPort, SF_IO_NONBLOCK); // 非阻塞模式
      listen(SOCK_TCP); // 监听端口
      return TRUE;
  }

2. 网络配置

// 设置W5500网络参数
void W5500_Network_Config() {
    uint8_t mac[6] = {0x00, 0x08, 0xDC, 0x1A, 0x2B, 0x3C}; // 自定义MAC
    uint8_t ip[4]  = {192, 168, 1, 100};               // 静态IP
    uint8_t gw[4]  = {192, 168, 1, 1};                 // 网关
    uint8_t sn[4]  = {255, 255, 255, 0};               // 子网掩码

    setSHAR(mac);    // 设置MAC地址
    setSIPR(ip);     // 设置IP地址
    setGAR(gw);      // 设置网关
    setSUBR(sn);     // 设置子网掩码
}

3. Modbus TCP协议实现

• MBAP头部构建

  void Build_MBAP_Header(uint8_t *buffer, uint16_t transaction_id, uint16_t length) {
      buffer[0] = (transaction_id >> 8) & 0xFF; // 事务ID高字节
      buffer[1] = transaction_id & 0xFF;        // 事务ID低字节
      buffer[2] = 0x00;                         // 协议ID高字节（固定0）
      buffer[3] = 0x00;                         // 协议ID低字节
      buffer[4] = (length >> 8) & 0xFF;         // 数据长度高字节
      buffer[5] = length & 0xFF;                // 数据长度低字节
      buffer[6] = 0x01;                         // 单元ID（默认1）
  }

• 功能码处理（以读保持寄存器为例）

  eMBErrorCode eMBRegHoldingCB(UCHAR *pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode) {
      if (eMode == MB_REG_READ) {
          for (int i = 0; i < usNRegs; i++) {
              pucRegBuffer[2*i]     = (usRegHoldingBuf[usAddress + i] >> 8) & 0xFF;
              pucRegBuffer[2*i + 1] = usRegHoldingBuf[usAddress + i] & 0xFF;
          }
      } else if (eMode == MB_REG_WRITE) {
          for (int i = 0; i < usNRegs; i++) {
              usRegHoldingBuf[usAddress + i] = (pucRegBuffer[2*i] << 8) | pucRegBuffer[2*i + 1];
          }
      }
      return MB_ENOERR;
  }

4. 多任务调度（FreeRTOS实现）

// Modbus TCP任务（优先级2）
void vMBTCPTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        eMBPoll(); // 协议栈轮询
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 10ms周期
    }
}

// 网络数据处理任务（优先级3）
void vNetworkTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        if (getSn_SR(SOCK_TCP) == SOCK_ESTABLISHED) {
            uint16_t rx_len = getSn_RX_RSR(SOCK_TCP);
            if (rx_len > 0) {
                uint8_t rx_buf[256];
                recv(SOCK_TCP, rx_buf, rx_len);
                // 解析Modbus TCP报文并触发响应
                ProcessModbusTCP(rx_buf, rx_len);
            }
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));
    }
}

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三、关键问题解决方案

1. SPI通信稳定性优化

   • 问题：高速SPI传输时出现数据丢失

   • 方案：

     • 启用SPI DMA传输（STM32 DMA2_Stream0）

     • 增加CRC校验重传机制（W5500硬件CRC支持）

     // 启用DMA传输
     SPI_HandleTypeDef hspi2;
     hspi2.Instance = SPI2;
     hspi2.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
     hspi2.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
     hspi2.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
     hspi2.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件片选
     hspi2.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4; // 36MHz时钟
     HAL_SPI_Init(&hspi2);
     HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, tx_data, data_len);

2. 多客户端并发处理

   • 问题：单Socket无法支持多客户端连接

   • 方案：

     • 使用W5500的Socket 0-7多通道（每个通道独立监听）

     • 通过socket()函数动态分配端口

     // 多Socket初始化
     for (int i = 0; i < 4; i++) {
      socket(i, Sn_MR_TCP, 502 + i, SF_IO_NONBLOCK); // 监听不同端口
         listen(i);
     }

3. 实时性保障

   • 问题：协议栈轮询阻塞电机控制任务

   • 方案：

     • 采用时间片轮询（Time-Slicing）调度

     • 关键中断优先级设置（如定时器中断 > Modbus任务）

     // FreeRTOS优先级配置
     #define configMAX_PRIORITIES 5
     xTaskCreate(vMBTCPTask, "ModbusTCP", 256, NULL, 2, NULL); // 优先级2
     xTaskCreate(vMotorControl, "MotorCtrl", 512, NULL, 3, NULL); // 优先级3

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   四、调试与测试

   1. 网络连通性验证

      # 使用arping测试物理层
      arping -I eth0 192.168.1.100
      # 使用telnet测试TCP端口
      telnet 192.168.1.100 502

4. Modbus报文抓包分析

   • 工具 ：Wireshark（过滤tcp.port == 502）

   • 典型报文结构：

     00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 02  # MBAP头 + 功能码03（读保持寄存器）
     00 01 00 0A 01 03 06 00 0A 00 14 00 1E  # 响应数据（4个寄存器值）

5. 性能优化指标

   参数	目标值	实现方法
   报文响应延迟	<50ms	启用SPI DMA + 中断优先级提升
   最大并发连接数	4	W5500多Socket模式
   CPU占用率	<30%	FreeRTOS任务调度优化

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五、扩展功能实现

1. Web服务器集成

   // HTTP请求处理回调
   void HTTP_Handler(uint8_t *request) {
       if (strstr((char*)request, "GET /status")) {
           char response[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 29\r\n\r\n{\"temp\":25.5,\"status\":\"OK\"}";
           send(SOCK_HTTP, response, strlen(response));
       }
   }

2. OTA远程升级

   // 固件升级流程
   void OTA_Update() {
       uint32_t addr = 0x08010000; // 升级地址
       uint8_t buffer[512];
       recv(SOCK_UPGRADE, buffer, 512);
       HAL_FLASH_Unlock();
       HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, addr, *(uint32_t*)buffer);
       HAL_FLASH_Lock();
   }

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六、工程模板配置

1. STM32CubeMX配置

   • 时钟树：HSE 8MHz → PLL倍频至72MHz

   • 中间件：LWIP（TCP/IP协议栈）

   • 引脚配置：SPI2模式（全双工）

2. Makefile关键配置

   # 链接脚本配置
   MEMORY
   {
       FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 256K
       RAM (rwx)       : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
       W5500_SRAM (rwx): ORIGIN = 0x60000000, LENGTH = 32K
   }
   
   # 编译选项
   CFLAGS += -DUSE_HAL_DRIVER -DSTM32F103xB -I./Middlewares/Third_Party/LwIP/src/include
   LDFLAGS += -TSTM32F103C8Tx_FLASH.ld -lc -lm -lnosys

参考代码 基于STM32 W5500 开发的modbus tcp 协议 www.youwenfan.com/contentcsp/112773.html

七、调试工具推荐

1. 硬件调试

   • J-Link GDB Server：实时内存监控

   • 逻辑分析仪：解码SPI通信时序

2. 软件调试

• STM32CubeMonitor：变量实时观测

• Modbus Poll工具：模拟客户端发送请求

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通过上述方案，开发者可快速构建基于STM32与W5500的Modbus TCP通信系统，适用于工业自动化、智能电表、远程监控等场景。实际部署时需根据具体硬件调整SPI时钟频率和网络参数，并通过压力测试验证系统稳定性。