Microsemi DG0440 mit Modbus TCP-Referenzdesign auf SmartFusion2-Geräten
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Über Microsemi
Die Microsemi Corporation (Nasdaq: MSCC) bietet ein umfassendes Portfolio an Halbleiter- und Systemlösungen für Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Kommunikation, Rechenzentren und Industriemärkte. Zu den Produkten gehören hochleistungsfähige und strahlungsfeste analoge integrierte Mischsignalschaltungen, FPGAs, SoCs und ASICs; Power-Management-Produkte; Timing- und Synchronisationsgeräte und präzise Zeitlösungen, die den weltweiten Zeitstandard setzen; Sprachverarbeitungsgeräte; HF-Lösungen; diskrete Komponenten; Speicher- und Kommunikationslösungen für Unternehmen, Sicherheitstechnologien und skalierbarer Anti-Tamper Produkte; Ethernet-Lösungen; Power-over-Ethernet-ICs und -Midspans; sowie kundenspezifische Designmöglichkeiten und Dienstleistungen. Microsemi hat seinen Hauptsitz in Aliso Viejo, Kalifornien, und beschäftigt weltweit etwa 4,800 Mitarbeiter. Erfahren Sie mehr unter www.microsemi.com.
Änderungsverlauf
Der Revisionsverlauf beschreibt die Änderungen, die im Dokument vorgenommen wurden. Die Änderungen werden nach Revision aufgelistet, beginnend mit der aktuellsten Veröffentlichung.
Revision 7.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.8 wurde aktualisiert.
Revision 6.0
Die folgenden Änderungen wurden in Revision 6.0 dieses Dokuments vorgenommen.
- Die Designanforderungen für Libero SoC, FlashPro und SoftConsole werden in den Designanforderungen auf Seite 5 aktualisiert.
- Im gesamten Handbuch werden die Namen der im Demo-Design verwendeten SoftConsole-Projekte und alle zugehörigen Abbildungen aktualisiert.
Revision 5.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.7 (SAR 76559) wurde aktualisiert.
Revision 4.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.6 (SAR 72924) wurde aktualisiert.
Revision 3.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.5 (SAR 63972) wurde aktualisiert.
Revision 2.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.3 (SAR 56538) wurde aktualisiert.
Revision 1.0
Das Dokument für die Softwareversion Libero v11.2 (SAR 53221) wurde aktualisiert.
Ausführen des Modbus TCP-Referenzdesigns auf SmartFusion2-Geräten mit IwIP und FreeRTOS
Einführung
Microsemi bietet ein Referenzdesign für SmartFusion®2 SoC FPGA-Geräte an, das die
Tri-Speed Ethernet Medium Access Controller (TSEMAC)-Funktionen des SmartFusion2 SoC FPGA und implementiert das Modbus-Protokoll. Das Referenzdesign läuft auf dem UG0557: SmartFusion2 SoC FPGA Advanced Development Kit User Guide. Dieser Demo-Leitfaden beschreibt.
- Verwendung von SmartFusion2 TSEMAC, verbunden mit einer seriellen Gigabit-Medienunabhängigen Schnittstelle (SGMII) PHY.
- Integration des SmartFusion2-MAC-Treibers mit dem Lightweight IP (IwIP) Transmission Control Protocol (TCP) oder IP-Stack und dem kostenlosen Echtzeitbetriebssystem (RTOS).
- Anwendungsschicht mit industriellem Automatisierungsprotokoll, Modbus auf TCP oder IP.
- So führen Sie das Referenzdesign aus
Das Mikrocontroller-Subsystem (MSS) des SmartFusion2 SoC FPGA verfügt über eine Instanz des TSEMAC-Peripheriegeräts. Das TSEMAC kann zwischen dem Hostprozessor und dem Ethernet-Netzwerk mit den folgenden Datenübertragungsraten (Leitungsgeschwindigkeiten) konfiguriert werden:
- 10 Mbit/s
- 100 Mbit/s
- 1000 Mbit/s
Weitere Informationen zur TSEMAC-Schnittstelle für SmartFusion2-Geräte finden Sie im UG0331: SmartFusion2 Microcontroller Subsystem User Guide.
Verwenden des Modbus-Protokolls
Modbus ist ein Nachrichtenprotokoll auf Anwendungsebene, das auf Ebene sieben des
Open Systems Interconnection (OSI)-Modell. Es ermöglicht die Client- oder Serverkommunikation zwischen den Geräten, die an verschiedene Bustypen oder Netzwerke angeschlossen sind. Es ist ein Serviceprotokoll, das viele durch Funktionscodes angegebene Dienste bietet. Die Modbus-Funktionscodes sind Elemente von Modbus-Anforderungs- oder Antwortprotokoll-Dateneinheiten. Zu den Komponenten des Modbus-Protokolls gehören:
- TCP oder IP über Ethernet
- Asynchrone serielle Übertragung über verschiedene Medien
- Draht:
- EIA/TIA-232-E
- EIA-422
- EIA/TIA-485-A-Glasfaser
- Radio
- Modbus PLUS, ein Hochgeschwindigkeits-Token-Passing-Netzwerk
Die folgende Abbildung beschreibt die Modbus-Kommunikationsstapel für verschiedene Kommunikationsnetzwerke.
Abbildung 1 • Modbus-Kommunikationsstapel
Verwenden des Modbus-Protokolls auf dem SmartFusion2-Gerät
Der Modbus TCP-Server läuft auf dem SmartFusion2 Advanced Development Kit und antwortet dem Modbus TCP-Client, der auf dem Host-PC läuft. Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm des Modbus TCP-Servers und der Anwendung auf dem SmartFusion2-Gerät.
Abbildung 2 • Blockdiagramm des Modbus TCP-Servers und der Anwendung auf SmartFusion2
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Designanforderungen
In der folgenden Tabelle sind die Hardware- und Software-Designanforderungen aufgeführt.
Tabelle 1 • Referenzdesignanforderungen und Details
Designanforderungen: Beschreibung
Hardware
- SmartFusion2 Erweitertes Entwicklungskit
– USB A auf Mini-B Kabel
– 12 V Adapter
Rev. A oder höher - Ethernet-Kabel RJ45
- Eines der folgenden seriellen Terminalemulationsprogramme:
– HyperTerminal
– TeraTerm
– Kitt - Host-PC oder Laptop Windows 64-Bit-Betriebssystem
Software
- Libero® System-on-Chip (SoC) v11.8
- SoftConsole v4.0
- FlashPro-Programmiersoftware v11.8
- USB-zu-UART-Treiber –
- MSS Ethernet MAC-Treiber v3.1.100
- Ein serielles Terminalemulationsprogramm HyperTerminal, TeraTerm oder PuTTY
- Browser Mozilla Firefox oder Internet Explorer
Demo-Design
Die folgenden Abschnitte beschreiben das Demodesign des Modbus TCP-Referenzdesigns auf SmartFusion2-Geräten unter Verwendung von IwIP und FreeRTOS.
Das Demo-Design files stehen zum Download bereit unter:
http://soc.microsemi.com/download/rsc/?f=m2s_dg0440_liberov11p8_df
Das Demo-Design fileDazu gehören:
- Libero
- Programmierung files
- HostTool
- Liesmich
Die folgende Abbildung zeigt die Struktur der obersten Ebene des Designs files. Weitere Informationen finden Sie in der Readme.txt file.
Abbildung 3 • Demo-Design Files Top-Level-Struktur
Demo-Designfunktionen
Das Referenzdesign umfasst:
- Schließen Sie das Libero SoC Verilog-Projekt ab
- SoftConsole-Firmwareprojekt
Das Referenzdesign kann abhängig von den Einstellungen des freien Modbus-Kommunikationsstapels die folgenden Modbus-Funktionscodes unterstützen:
- Eingangsregister lesen (Funktionscode 0×04)
- Halteregister lesen (Funktionscode 0×03)
- Einzelne Register schreiben (Funktionscode 0×06)
- Mehrere Register schreiben (Funktionscode 0×10)
- Mehrere Register lesen oder schreiben (Funktionscode 0×17)
- Spulen lesen (Funktionscode 0×01)
- Einzelne Spule schreiben (Funktionscode 0×05)
- Mehrere Spulen schreiben (Funktionscode 0×0F)
- Diskrete Eingänge lesen (Funktionscode (0×02)
Das Referenzdesign unterstützt die folgenden Modbus-Funktionscodes für alle freien Modbus-Kommunikationsstapeleinstellungen:
- Eingangsregister lesen (Funktionscode 0×04)
- Diskrete Eingänge lesen (Funktionscode (0×02)
- Mehrere Spulen schreiben (Funktionscode 0×0F)
- Halteregister lesen (Funktionscode 0×03)
Demo-Design-Beschreibung
Das Design wird mithilfe einer SGMII-PHY-Schnittstelle implementiert, indem TSEMAC für den Zehn-Bit-Schnittstellenbetrieb (TBI) konfiguriert wird. Weitere Informationen zur TSEMAC-TBI-Schnittstelle finden Sie im Benutzerhandbuch UG0331: SmartFusion2 Microcontroller Subsystem.
Libero SoC-Hardwareprojekt
Die folgende Abbildung zeigt die Implementierung des Hardwaredesigns, auf dem die Slave-Firmware des Referenzdesigns ausgeführt wird.
Abbildung 4 • Libero SoC Top-Level-Hardware-Design
Das Libero-SoC-Hardwareprojekt verwendet die folgenden SmartFusion2-MSS-Ressourcen und IPs:
- TSEMAC TBI-Schnittstelle
- MMUART_0 für RS-232-Kommunikation auf dem SmartFusion2 Advanced Development Kit
- Dediziertes Eingangspad 0 als Taktquelle
- Allgemeiner Eingang und Ausgang (GPIO), der Folgendes verbindet:
- Leuchtdioden (LEDs): 4 Zahlen
- Drucktasten: 4 Zahlen
- Dual-In-Line-Package (DIP)-Schalter: 4 Nummern
- Die folgenden Kartenressourcen sind mit den Modbus-Befehlen verknüpft:
- LEDs (Spulen)
- DIP-Schalter (diskrete Eingänge)
- Drucktaster (diskrete Eingänge)
- Echtzeituhr (RTC) (Eingaberegister)
- Hochgeschwindigkeits-Seriell-Schnittstelle (SERDESIF) SERDES_IF IP, konfiguriert für SERDESIF_3 EPCS Lane 3, siehe folgende Abbildung. Weitere Informationen zu Hochgeschwindigkeits-Seriell-Schnittstellen finden Sie im Benutzerhandbuch zu den Hochgeschwindigkeits-Seriell-Schnittstellen UG0447-SmartFusion2 und IGLOO2 FPGA.
Die folgende Abbildung zeigt das Fenster „High Speed Serial Interface Configurator“.
Abbildung 5 • Konfigurationsfenster für serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen
Pinbelegungen des Pakets
Die Paket-Pinbelegungen für LED, DIP-Schalter, Druckknopfschalter und PHY-Schnittstellensignale sind in der folgenden Tabelle bis Tabelle 5, Seite 9, aufgeführt.
Tabelle 2 • Zuordnung der LEDs zu den Gehäuse-Pins
- Ausgabepaket-Pin
- LED_1 D26
- LED_2 F26
- LED_3 A27
- LED_4 C26
Tabelle 3 • DIP-Schalter für die Pinbelegung des Gehäuses
- Ausgabepaket-Pin
- DIP1 F25
- DIP2 G25
- DIP3 J23
- DIP4 J22
Tabelle 4 • Zuordnung der Drucktastenschalter zu den Gehäusestiften
- Ausgabepaket-Pin
- SCHALTER1 J25
- SCHALTER2 H25
- SCHALTER3 J24
- SCHALTER4 H23
Tabelle 5 • Zuordnung der PHY-Schnittstellensignale zu den Gehäuse-Pins
- Port Name Richtung Paket Pin
- PHY_MDC-Ausgang F3
- PHY_MDIO Eingang K7
- PHY_RST Ausgang F2
SoftConsole-Firmware-Projekt
Rufen Sie das SoftConsole-Projekt mithilfe der eigenständigen SoftConsole-IDE auf. Für das Referenzdesign werden die folgenden Versionen des Stapels verwendet:
- lwIP TCP- oder IP-Stack Version 1.3.2
- Modbus TCP-Server Version 1.5 (www.freemodbus.org) mit Erweiterungen für die komplette Funktionscodeunterstützung als Modbus TCP Server
- FreeRTOS (www.freertos.org)
Die folgende Abbildung zeigt die Verzeichnisstruktur des SoftConsole-Softwarestapels des Designs.
Abbildung 6 • SoftConsole-Projekt-Explorer-Fenster
Der SoftConsole-Arbeitsbereich besteht aus dem Projekt Modbus_TCP_App, das die Modbus TCP-Anwendung (die lwIP und FreeRTOS verwendet) und alle Firmware- und Hardware-Abstraktionsebenen enthält, die dem Hardwaredesign entsprechen.
Die folgende Abbildung zeigt die für die Demo verwendeten Treiberversionen.
Abbildung 7 • Demo-Design-Treiberversionen
Einrichten des Demo-Designs
Die folgenden Schritte beschreiben, wie Sie die Demo für die SmartFusion2 Advanced Development Kit-Platine einrichten:
- Verbinden Sie den Host-PC mit dem USB-A-zu-Mini-B-Kabel mit dem J33-Anschluss. Die USB-zu-Universal-Asynchronous-Receiver/Transmitter-(UART)-Bridge-Treiber werden automatisch erkannt.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf einen der vier erkannten Kommunikationsanschlüsse (COM) und wählen Sie Eigenschaften. Das Eigenschaftenfenster des ausgewählten COM-Anschlusses wird angezeigt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
- Stellen Sie sicher, dass im Eigenschaftenfenster der Speicherort „USB FP5 Serial Converter C“ angegeben ist, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Notiz: Notieren Sie sich die COM-Port-Nummer für die serielle Port-Konfiguration und stellen Sie sicher, dass der COM-Port-Speicherort wie beim USB FP5 Serial Converter C angegeben ist.
Abbildung 8 • Geräte-Manager-Fenster
- Installieren Sie den USB-Treiber, wenn die USB-Treiber nicht automatisch erkannt werden.
- Installieren Sie den FTDI D2XX-Treiber für die serielle Terminalkommunikation über das FTDI Mini-USB-Kabel. Laden Sie die Treiber und die Installationsanleitung herunter von:
www.microsemi.com/soc/documents/CDM_2.08.24_WHQL_Certified.zip - Verbinden Sie die Jumper auf der SmartFusion2 Advanced Development Kit-Platine wie in der folgenden Tabelle gezeigt. Informationen zu den Jumperpositionen finden Sie im Anhang: Jumperpositionen, Seite 19.
VORSICHT: Schalten Sie den Stromversorgungsschalter SW7 AUS, bevor Sie die Überbrückungsverbindungen herstellen.
Tabelle 6 • Jumper-Einstellungen für das SmartFusion2 Advanced Development Kit
- Jumper-Pin von Pin zu Kommentaren
- J116, J353, J354,J54 1 2 Dies sind die Standard-Jumpereinstellungen der Advanced Development Kit-Platine. Stellen Sie sicher, dass die Jumper
- J123 2 3 werden entsprechend eingestellt.
- J124, J121, J32 1 2 JTAG Programmierung über FTDI
- Schließen Sie das Netzteil an den J42-Anschluss auf der Platine des SmartFusion2 Advanced Development Kit an.
- Dieses Design zample kann sowohl im statischen als auch im dynamischen IP-Modus ausgeführt werden. Standardmäßig fileFür den dynamischen IP-Modus sind s vorgesehen.
- Für eine statische IP verbinden Sie den Host-PC mit dem J21-Anschluss des
SmartFusion2 Advanced Development Kit-Platine mit einem RJ45-Kabel. - Für eine dynamische IP verbinden Sie einen der offenen Netzwerkports über ein RJ21-Kabel mit dem J2-Anschluss der SmartFusion45 Advanced Development Kit-Platine.
- Für eine statische IP verbinden Sie den Host-PC mit dem J21-Anschluss des
Snapshot des Board-Setups
Schnappschüsse der SmartFusion2 Advanced Development Kit-Platine mit allen Setup-Verbindungen finden Sie im Anhang: Platinen-Setup zum Ausführen des Modbus TCP-Referenzdesigns, Seite 18.
Ausführen des Demodesigns
Die folgenden Schritte beschreiben, wie Sie das Demodesign ausführen:
- Laden Sie den Entwurf herunter file aus:
http://soc.microsemi.com/download/rsc/?f=m2s_dg0440_liberov11p8_df - Schalten Sie den Stromversorgungsschalter SW7 ein.
- Starten Sie ein beliebiges serielles Terminalemulationsprogramm wie beispielsweise:
- HyperTerminal
- Kitt
- TeraTerm
Hinweis: In dieser Demo wird HyperTerminal verwendet.
Die Konfiguration für das Programm ist: - Baudrate: 115200
- 8 Datenbits
- 1 Stoppbit
- Keine Parität
- Keine Flusskontrolle
Informationen zum Konfigurieren der seriellen Terminalemulationsprogramme finden Sie unter „Konfigurieren serieller Terminalemulationsprogramme“.
- Starten Sie die FlashPro-Software.
- Klicken Sie auf Neues Projekt.
- Geben Sie im Fenster „Neues Projekt“ den Projektnamen ein, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Abbildung 9 • Neues FlashPro-Projekt
- Klicken Sie auf „Durchsuchen“ und navigieren Sie zu dem Speicherort, an dem Sie das Projekt speichern möchten.
- Wählen Sie „Einzelgerät“ als Programmiermodus.
- Klicken Sie auf „OK“, um das Projekt zu speichern.
- Klicken Sie auf „Gerät konfigurieren“.
- Klicken Sie auf „Durchsuchen“ und navigieren Sie zum Speicherort der Datei „Modbus_TCP_top.stp“ file befindet und wählen Sie die aus file. Der Standardspeicherort ist:
(\SF2_Modbus_TCP_Ref_Design_DF\Programmierungfile\Modbus_TCP_top.stp). Die erforderliche Programmierung file ist ausgewählt und kann wie in der folgenden Abbildung gezeigt im Gerät programmiert werden.
Abbildung 10 • FlashPro-Projekt konfiguriert
- Klicken Sie auf PROGRAMMIEREN, um mit der Programmierung des Geräts zu beginnen. Warten Sie, bis eine Meldung angezeigt wird, dass das Programm erfolgreich war. Für diese Demo muss das SmartFusion2-Gerät mit dem Anwendungscode vorprogrammiert werden, um die Modbus-Anwendung zu aktivieren. Das SmartFusion2-Gerät ist mit der FlashPro-Software mit Modbus_TCP_top.stp vorprogrammiert.
Abbildung 11 • FlashPro-Programm bestanden
Hinweis: Um das Design im statischen IP-Modus auszuführen, befolgen Sie die Schritte im Anhang: Ausführen des Designs im statischen IP-Modus, Seite 20.
- Schalten Sie die SmartFusion2 Advanced Development-Platine aus und wieder ein.
Im HyperTerminal-Fenster wird eine Willkommensnachricht mit der IP-Adresse angezeigt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 12 • HyperTerminal mit IP-Adresse
Öffnen Sie eine neue Eingabeaufforderung auf dem Host-PC, gehen Sie zum Ordner
(\SF2_Modbus_TCP_Ref_Design_DF\HostTool) wobei
SmartFusion2_Modbus_TCP_Client.exe file vorhanden ist, geben Sie den Befehl ein: SmartFusion2_Modbus_TCP_Client.exe wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 13 • Aufrufen des Modbus-Clients
Die folgende Abbildung zeigt die ausgeführten Modbus TCP-Funktionen. Die Funktionen sind:
- Diskrete Eingänge lesen (Funktionscode 02)
- Halteregister lesen (Funktionscode 03)
- Eingangsregister lesen (Funktionscode 04)
- Mehrere Spulen schreiben (Funktionscode 15)
Abbildung 14 • Demonstration der Modbus-Funktionscodes
Weitere Informationen zu den Modbus-Funktionen, die im Referenzdesign demonstriert werden, finden Sie unter Ausführen von Modbus-Funktionen auf Seite 17.
- Schließen Sie HyperTerminal, nachdem Sie die Demo ausgeführt haben.
Ausführen von Modbus-Funktionen
In diesem Abschnitt werden die Modbus-Funktionen beschrieben, die im Referenzdesign demonstriert werden.
Diskrete Eingänge lesen (Funktionscode 02)
GPIOs sind mit 4 DIP-Schaltern und 4 Drucktastenschaltern verbunden. Schalten Sie die DIP-Schalter und Drucktastenschalter am SmartFusion2 Advanced Development Kit EIN und AUS. Der Funktionscode „Diskrete Eingänge lesen“ zeigt die Status der Schalter an, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 15 • Diskrete Eingänge lesen
Holding Register lesen (Funktionscode 03)
Die folgende Abbildung zeigt die in der Firmware definierten globalen Pufferdaten.
Abbildung 16 • Halteregister lesen
Eingangsregister lesen (Funktionscode 04)
Die folgende Abbildung zeigt die Anzahl der Sekunden, die der Echtzeitzähler (RTC) gezählt hat.
Abbildung 17 • Eingaberegister lesen
Mehrere Spulen schreiben (Funktionscode 0×0F)
Die folgende Abbildung zeigt die Registerdaten „Write Multiple Coils“ zum Umschalten der an GPIOs angeschlossenen LEDs.
Abbildung 18 • Mehrere Spulen schreiben
Anhang: Board-Setup zum Ausführen des Modbus TCP-Referenzdesigns
Die folgende Abbildung zeigt den Platinenaufbau zum Ausführen des Referenzdesigns auf der SmartFusion2 Advanced Development Kit-Platine.
Abbildung 19 • Einrichtung der Platine des SmartFusion2 Advanced Development Kit
Anhang: Jumperpositionen
Die folgende Abbildung zeigt die Jumperpositionen auf der Platine des SmartFusion2 Advanced Development Kit.
Abbildung 20 • SmartFusion2 Advanced Development Kit Siebdruck oben View
Notiz: Rot markierte Jumper sind standardmäßig gesetzt. Grün markierte Jumper müssen manuell gesetzt werden.
Notiz: Die Position der Jumper in der vorhergehenden Abbildung ist durchsuchbar.
Anhang: Ausführen des Designs im statischen IP-Modus
Die folgenden Schritte beschreiben, wie das Design im statischen IP-Modus ausgeführt wird:
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Projekt-Explorer-Fenster des SoftConsole-Projekts und gehen Sie zu „Eigenschaften“, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Abbildung 21 • Projekt-Explorer-Fenster des SoftConsole-Projekts
- Entfernen Sie das Symbol NET_USE_DHCP in den Tool-Einstellungen des Fensters „Eigenschaften für Modbus_TCP_App“. Die folgende Abbildung zeigt das Fenster „Eigenschaften für Modbus_TCP_App“.
Abbildung 22 • Eigenschaftenfenster des Projekt-Explorers
- Wenn das Gerät im statischen IP-Modus angeschlossen ist, lautet die statische IP-Adresse der Karte 169.254.1.23. Ändern Sie dann die Host-TCP/IP-Einstellungen, um die IP-Adresse widerzuspiegeln. Siehe folgende Abbildung und Abbildung 24.
Abbildung 23 • TCP/IP-Einstellungen des Host-PCs
Abbildung 24 • Einstellungen für statische IP-Adresse
Notiz: Wenn diese Einstellungen konfiguriert sind, kompilieren Sie das Design, laden Sie es in den Flash-Speicher und führen Sie es mit SoftConsole aus.
DG0440 Demo-Leitfaden Revision 7.0
Dokumente / Ressourcen
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Microsemi DG0440 mit Modbus TCP-Referenzdesign auf SmartFusion2-Geräten [pdf] Benutzerhandbuch DG0440 Ausführen des Modbus TCP-Referenzdesigns auf SmartFusion2-Geräten, DG0440, Ausführen des Modbus TCP-Referenzdesigns auf SmartFusion2-Geräten, Design auf SmartFusion2-Geräten |