如何使用 LwIP 在 NuMaker-IoT-M467 上实现 Modbus TCP？

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要在 NuMaker-IoT-M467 上使用 LwIP 实现 Modbus TCP，需依次完成硬件初始化、网络配置、Modbus TCP 服务器集成和数据处理。以下是步骤详解和代码示例：

1. 初始化硬件和 LwIP 协议栈

• 硬件初始化：启用以太网外设、配置时钟和 GPIO。


• LwIP 初始化：创建内存池、网卡接口、设置 IP 地址（DHCP/静态）。

#include "lwip/opt.h"

#include "lwip/init.h"

#include "netif/ethernet.h"

#include "lwip/netif.h"

#include "NuNetDev.h"



void lwip_init_system(void) {

    // 初始化LwIP内核

    tcpip_init(NULL, NULL);



    // 添加网卡接口 (NuNetDev 为新唐提供的驱动)

    struct netif netif;

    ip_addr_t ip, netmask, gw;



    IP4_ADDR(&ip, 192, 168, 1, 100);        // 静态IP

    IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);

    IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1);



    netif_add(&netif, &ip, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, tcpip_input);

    netif_set_default(&netif);

    netif_set_up(&netif);

}

2. 创建 Modbus TCP 服务器

• 监听端口 502：使用 LwIP 的 TCP API 设置服务器。


• 接受客户端连接：为每个连接单独处理。

#include "lwip/sockets.h"

#include "sys_arch.h"



#define MODBUS_PORT 502



void modbus_tcp_task(void *arg) {

    int server_sock, client_sock;

    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;

    socklen_t len = sizeof(client_addr);



    // 创建套接字

    server_sock = lwip_socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);



    // 绑定端口

    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

    server_addr.sin_family = AF_INET;

    server_addr.sin_port = htons(MODBUS_PORT);

    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    lwip_bind(server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));



    // 开始监听

    lwip_listen(server_sock, 5);



    while (1) {

        // 接受客户端连接

        client_sock = lwip_accept(server_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);



        // 在新线程中处理客户端请求

        sys_thread_new("modbus_client", handle_client, (void*)client_sock, 1024, 3);

    }

}

3. 实现 Modbus 请求处理

• 解析请求：识别 Modbus 功能码和地址。


• 生成响应：根据功能码读取/写入寄存器数据。

void handle_client(void *arg) {

    int sock = (int)arg;

    uint8_t req_buf[256], resp_buf[256];

    int bytes_received;



    while (1) {

        // 接收数据

        bytes_received = lwip_recv(sock, req_buf, sizeof(req_buf), 0);

        if (bytes_received <= 0) break;  // 连接断开



        // 解析Modbus头：事务ID(2B)|协议ID(2B)|长度(2B)|单元ID(1B)|功能码(1B)

        uint16_t trans_id = (req_buf[0] << 8) | req_buf[1];

        uint16_t length = (req_buf[4] << 8) | req_buf[5];

        uint8_t func_code = req_buf[7];



        // 构建响应头（保留部分字段）

        memcpy(resp_buf, req_buf, 7);      // 复制事务ID、协议ID、长度、单元ID

        resp_buf[4] = 0; resp_buf[5] = 3;  // 新长度（功能码+数据长度，示例）



        // 处理功能码（示例：03读保持寄存器）

        if (func_code == 0x03) {

            uint16_t start_addr = (req_buf[8] << 8) | req_buf[9];

            uint16_t reg_count = (req_buf[10] << 8) | req_buf[11];



            // 填充响应数据：功能码 + 字节数 + 寄存器值

            resp_buf[7] = 0x03;                   // 功能码

            resp_buf[8] = reg_count * 2;          // 字节数

            read_registers(start_addr, reg_count, &resp_buf[9]); // 读取数据到resp_buf[9]之后



            // 更新响应长度

            uint16_t resp_len = 9 + reg_count * 2;

            resp_buf[5] = resp_len - 6;           // 长度字段（排除前6字节头）



            // 发送响应

            lwip_send(sock, resp_buf, resp_len, 0);

        }

    }

    lwip_close(sock); // 关闭连接

}

4. 配置寄存器数据存储

• 
  

  在内存中定义虚拟寄存器数组，模拟设备数据：

  
  

  #define REG_COUNT 100
  
  uint16_t holding_registers[REG_COUNT]; // 保持寄存器
  
  
  
  void read_registers(uint16_t addr, uint16_t count, uint8_t *out) {
  
    for (int i = 0; i < count; i++) {
  
        out[2*i] = holding_registers[addr + i] >> 8;   // 高位
  
        out[2*i + 1] = holding_registers[addr + i];     // 低位
  
    }
  
  }

  
  

5. 启动任务和调试

• 
  

  在 main() 中初始化并启动 Modbus 任务：

  
  

  int main(void) {
  
    hardware_init();     // 初始化系统时钟、以太网PHY等
  
    lwip_init_system(); // 启动LwIP
  
  
  
    // 创建Modbus主线程
  
    sys_thread_new("modbus_server", modbus_tcp_task, NULL, 2048, 4);
  
  
  
    while (1) {
  
        sys_check_timeouts(); // 处理LwIP超时事件
  
    }
  
  }

  
  


• 调试工具：使用 Modbus 客户端（如 Modbus Poll、qModMaster）测试连接。

关键配置项

1. lwipopts.h 设置：
   

   #define LWIP_TCP                1   // 启用TCP
   
   #define TCPIP_THREAD_STACKSIZE  1024
   
   #define MEM_SIZE                (16*1024) // 调整内存池大小



2. NuMaker SDK 适配：
   
   
   
   • 确保 ethernetif.c 正确驱动板载 PHY（如 IP101）。
   
   
   • 检查以太网引脚配置（参考 SYS_Init()）。
   
   

常见问题排查

• 连接失败：检查防火墙、IP 冲突。


• 数据错误：验证 Modbus 字节序（大端）和响应长度。


• 内存溢出：增大 MEM_SIZE 或减少并发连接数。

通过以上步骤，即可在 NuMaker-IoT-M467 上实现基础的 Modbus TCP 通信。根据实际需求扩展功能码（如 01、05、06 等）和错误处理机制。