引言

在工业控制领域，Modbus RTU、EtherCAT 都是十分常用的通信协议，借此次电源网比赛的机会，使用树莓派5开发板来只做一个兼容Modbus RTU和EtherCAT的多协议网关

硬件设计

对于Modbus RTU部分，使用了自己制作的一款Modbus RFID读卡器，照片如下，使用的是STM32F0进行的设计，支持Modbus RTU通讯、RS485接口

原理图如下，采用FM17550作为RFID射频芯片

对于EtherCAT从站设备，使用了AX58100作为ESC芯片，STM32F411作为主控MCU，使用核心板上面的LED来交与主站来进行控制

AX58100部分的原理图如下，接出两个RJ45网口来作为EtherCAT通讯的IN和OUT

本次使用了一块1280*800的电容触摸屏来作为显示设备，将Modbus RFID读卡器、EtherCAT从站设备、树莓派、屏幕的线都接好，如下图

软件设计

开源协议栈软件

针对项目需求，需要进行通信协议栈软件的选择，软件方案设计如下

对于EtherCAT通讯，采用SOEM作为EtherCAT主站协议栈软件使用 对于Modbus通讯，采用libmodbus作为modbus主站协议栈软件使用 对于UI交互部分，采用dear imgui作为界面库软件使用几个开源软件链接如下：

https://github.com/OpenEtherCATsociety/SOEM.git

https://github.com/ocornut/imgui.git

https://github.com/epezent/implot.git

https://github.com/stephane/libmodbus.git

然后需要对于几个协议栈软件进行整合，本项目采用了cmake作为构建工具，编写cmake脚本如下，imgui的.cmake文件内容如下

project(imgui)

message("imgui cmake..")

add_library(imgui
    lib/imgui/imgui.cpp
    lib/imgui/imgui_demo.cpp
    lib/imgui/imgui_draw.cpp
    lib/imgui/imgui_tables.cpp
    lib/imgui/imgui_widgets.cpp
    lib/imgui/backends/imgui_impl_sdl2.cpp
    lib/imgui/backends/imgui_impl_opengl3.cpp
)

find_package(SDL2 REQUIRED)
find_package(OpenGL REQUIRED)

target_link_libraries(imgui PUBLIC SDL2::SDL2)
target_link_libraries(imgui PUBLIC OpenGL::GL)

include_directories(lib/imgui)
include_directories(lib/imgui/backends)

工程的CMakeLists.txt文件内容如下，软件上的依赖库主要有SOEM、SDL2、OpenGL、imgui、libmodbus、pthread这些

# project info
cmake_minimum_required(VERSION 3.28)
project(master VERSION 0.1.0 LANGUAGES C CXX)

# set some option
set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
set(SOEM_BUILD_SAMPLES ON)

# libs
add_subdirectory(lib/SOEM)
include(lib/imgui.cmake)

add_executable(master master.cpp imgui_main.cpp fieldbus.c)

# link libraries
target_link_libraries(master PRIVATE soem)
target_link_libraries(master PRIVATE imgui)
target_link_libraries(master PRIVATE modbus)
target_link_libraries(master PRIVATE pthread)

代码开发

对于UI部分，实现了两个窗口，一个窗口负责EtherCAT的主站UI交互、另一个窗口负责Modbus的主站UI交互，完整代码由于比较冗长，就不在文中展示了，可以到文末下载完整代码查看对于主函数代码核心部分如下，创建了三个线程，一个线程负责EtherCAT通讯，同步周期为5ms，一个线程负责modbus rtu通讯，周期为10ms，另一个线程为UI线程，来运行imgui开发的界面

void ImGui::mywindow(void)
{
    main_window();
    DrawModbusSerialPanel();
}

// 线程函数
void * thread_func_ecat(void *arg)
{
    for (;;)
    {
        op_loop();
        usleep(5000);
    }
    return NULL;
}

// 线程函数
void * thread_func_modbus(void *arg)
{
    for (;;)
    {
        if (g_connected && g_modbusCtx)
        {
            uint16_t regs[2];

            /* 固定站号 2 */
            modbus_set_slave(g_modbusCtx, 2);

            /* 写保持寄存器 1 = 0 */
            modbus_write_register(g_modbusCtx, 0, 0);

            /* 读保持寄存器 2、3 */
            if (modbus_read_registers(g_modbusCtx, 1, 2, regs) == 2)
            {
                g_reg2 = regs[0];
                g_reg3 = regs[1];
            }
        }
        usleep(10000);
    }
    return NULL;
}

// 线程函数
void * thread_func_ui(void *arg)
{
    imgui_init();
    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("EtherCAT Debug Tool\n");
    printf("A GUI tool for debugging EtherCAT networks\n");
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    int id1 = 1, id2 = 2, id3 = 3;

    // create thread
    if (pthread_create(&tid1, NULL, thread_func_ui, &id1) != 0) {
        perror("thread_func_ui is created.");
        return 1;
    }

    if (pthread_create(&tid2, NULL, thread_func_ecat, &id2) != 0) {
        perror("thread_func_ecat is created.");
        return 1;
    }
    if (pthread_create(&tid3, NULL, thread_func_modbus, &id3) != 0) {
        perror("thread_func_modbus is created.");
        return 1;
    }
    // wait for threads to finish
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);

    return 0;
}

软件运行截图如下，左边的窗口即为EtherCAT的主站UI，实现了使用PDO方式通讯，操作EtherCAT从站板子上的LED控制，右边的窗口为Modbus的主站UI，实现了对于Modbus RFID读卡器的卡ID读取