一種基于Modbus／TCP協(xié)議棧的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

王瓊玫，翁慧輝 （長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

徐仁佐 （北京龍鼎源科技有限公司，北京101500）

Modbus／TCP協(xié)議是目前發(fā)展迅猛、廣泛應用于幾乎所有領域的開放的TCP／IP技術，應用層采用工業(yè)控制領域標準的、開放的Modbus協(xié)議，使用戶徹底擺脫了非標準的、封閉的專用工業(yè)控制網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線技術的束縛，實現(xiàn)了遠程分布式的實時監(jiān)控和在線數(shù)據(jù)分析。遠程監(jiān)控中心可以通過以太網(wǎng)實時的讀取現(xiàn)場設備或儀表的數(shù)據(jù)，監(jiān)控現(xiàn)場的運行狀況，并且能夠根據(jù)讀取的現(xiàn)場參數(shù)對現(xiàn)場情況進行分析［1］。為此，筆者提出了基于Modbus／TCP協(xié)議的遠程控制系統(tǒng)。

1 Modbus／TCP協(xié)議

Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議是Modicon公司于1978年開發(fā)的一種工業(yè)控制器的網(wǎng)絡協(xié)議，通過該協(xié)議，控制器相互之間、控制器和其他設備之間可以進行通信。它是一個請求／應答協(xié)議。Modbus和TCP／IP協(xié)議結合成為Modbus／TCP協(xié)議，是OSI模型上的應用層報文傳輸協(xié)議，采用了客戶機／服務器通信模型。在客戶端，負責把來自用戶的信息封裝成Modbus幀；在服務器端，負責解釋來自客戶端的 Modbus幀，執(zhí)行相應的請求。Modbus／TCP幀的格式如圖1所示。

圖1 Modbus／TCP幀的格式

MBAP是Modbus協(xié)議在TCP／IP上的專用報文頭，用來識別 Modbus的應用數(shù)據(jù)單元。MBAP報文頭共7個字節(jié)，分為事件處理標識符 （2bytes）、協(xié)議標識符 （2bytes）、長度域 （2bytes）、單元標識符 （1bytes）。功能碼規(guī)定了服務器和客戶端所要執(zhí)行的操作，典型的有讀線圈 （0x01）、寫單個 線圈 （0x05）、讀輸入寄存器 （0x04）、讀多個寄存器（0x03）等。通過 Modbus／TCP協(xié)議將TCP／IP網(wǎng)絡上的客戶機和服務器設備連接起來，組成Modbus／TCP通信系統(tǒng)［2］。

圖2 Modbus／TCP通信結構

該系統(tǒng)利用網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關可以連接Modbus串行鏈路客戶機和服務器終端設備，其通信結構如圖2所示。

隨著現(xiàn)代通信技術和計算機網(wǎng)絡技術迅速發(fā)展，信息技術已逐步進入工業(yè)自動化領域。以太網(wǎng)技術以其開發(fā)性好、通信速率高、價格低廉、兼容性好以及應用廣泛等優(yōu)勢，促進了它在工業(yè)控制領域中的大規(guī)模應用，形成了當前的工業(yè)以太網(wǎng)技術。由于Modbus協(xié)議和TCP協(xié)議比較方便實現(xiàn)互聯(lián)，使得Modbus／TCP這一應用層協(xié)議廣泛應用于電力、水利、冶金、化工、機械、制造等監(jiān)控系統(tǒng)中。

2 ENC424J600芯片

ENC424J600是Microchip公司推出的快速以太網(wǎng)控制器，可為嵌入式系統(tǒng)提供遠程通訊服務。該芯片是帶有行業(yè)標準串行外設接口 （Serial Peripheral Interface，SPI）或柔性并行接口的獨立快速以太網(wǎng)控制器，可用作任何配備有SPI或標準并行端口的單片機的以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口。ENC424J600器件符合IEEE 802．3中適用于10Base-TX和100Base-TX以太網(wǎng)的全部規(guī)范，采用了一系列數(shù)據(jù)包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。該器件還提供了一個16位寬的內(nèi)部DMA，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件IP校驗和計算支持。

芯片內(nèi)置PHY物理層及MAC媒體訪問控制層。安全引擎模塊可執(zhí)行 RSA、Diffie-Hellman、AES、MD5和SHA-1算法計算，以縮短代碼大小、加快連接的建立和吞吐，并減少固件開發(fā)的工作量。該芯片還提供了一個通用的24Kb片內(nèi)SRAM Buffer，用于執(zhí)行發(fā)送和接收操作，基本不需要外接SRAM。通過SPI或并行接口與單片機通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為14Mbit／s（基于SPI）至140Mbit／s（基于并行接口）。ENC424J600提供了專用于活動指示的LED接口以及發(fā)送／接收／DMA中斷的引腳［3］。

圖3 Modbus／TCP通訊的整體系統(tǒng)結構圖

3 Modbus／TCP通訊系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3．1 系統(tǒng)整體結構

系統(tǒng)采用dsPIC30F6014的高性能數(shù)字信號處理器的SPI總線通信方式，采用美國Microchip公司的ENC424J600芯片作為以太網(wǎng)控制器。Modbus／TCP通訊系統(tǒng)通過dsPIC30F6014控制器內(nèi)置的異步收發(fā)器接收現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備上傳的報文，將應用層數(shù)據(jù)存到dsPIC30F6014芯片的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，將數(shù)據(jù)以Modbus消息幀的格式封裝成IP包通過以太網(wǎng)上傳給各閥室交換機，然后再通過網(wǎng)絡上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。Modbus／TCP通訊的整體系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

3．2 Modbus／TCP總線接口設計

Modbus／TCP總線接口電路如圖4所示。該電路中主要由以太網(wǎng)控制芯片ENC424J600和RJ45接口組成。ENC424J600通過SPI總線和中斷與dsPIC30f6014微控制器進行數(shù)據(jù)交互。其中，ENC424J600與RJ45接口之間選用的是漢仁公司的HR911103C網(wǎng)絡變壓器，消除了雙絞線上的干擾和部分諧波，實現(xiàn)了電氣隔離功能，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。

圖4 Modbus／TCP總線接口電路

以太網(wǎng)實現(xiàn)了一個差分對和電流模式發(fā)送器，它主要是當PHY發(fā)送時通過改變發(fā)送接口TX＋和TX-的相對灌電流在電纜上產(chǎn)生差分電壓［3］。以太網(wǎng)的接收接口RX＋和RX-工作原理與發(fā)送接口類似。4個傳輸匹配電阻 （阻值為49．9Ω、精度為1%）R1、R2、R3和R4分別連接在發(fā)送接口和接收接口上。2個電容 （電容值為6．8nF、精度為10%）C1和C2與電阻R3和R4在接收信號路徑上構成一個RC濾波器來降低基線漂移。C3和C4在防止直流電流的同時為2個差分對提供穩(wěn)定的共模電壓。

ENC424J600與單片機dsPIC30F6014的連接可通過SPI實現(xiàn)，且ENC424J600僅支持SPI模式0，0。單片機dsPIC30F6014通過SPI接口發(fā)送命令，訪問ENC424J600的寄存器和讀寫接收／發(fā)送緩沖區(qū)，從而完成相關操作［3］。系統(tǒng)復位通過SPI接口由相關程序實現(xiàn)，其過程不影響通信接口電路中RESET引腳的狀態(tài)。此外，ENC424J600有2個中斷輸出，分別用于事件中斷觸發(fā)和網(wǎng)絡喚醒主機。

3．3 協(xié)議棧軟件實現(xiàn)

美國Microchip公司提供標準的TCP／IP協(xié)議棧模型，該模型結構如圖5所示。該協(xié)議棧采用模塊化設計，每個模塊只在使用的時候才被添加其中。各層實現(xiàn)代碼駐留在一個獨立的源文件里。此外，該協(xié)議棧使用協(xié)同式多任務處理技術。

協(xié)議棧在傳輸層采用TCP協(xié)議提供面向連接、可靠的字節(jié)流服務［4］。在應用層采用目前使用最為廣泛的 MODBUS TCP協(xié)議。通過該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成一個工業(yè)網(wǎng)絡，以便進行集中監(jiān)控［5］。

軟件部分主要包括ENC424J600的初始化和在主控程序循環(huán)體中輪流執(zhí)行各個功能模塊，其中在主控程序循環(huán)體中輪流執(zhí)行的各個模塊包括串口通信模塊、I／O數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)模塊和應用層MODBUS協(xié)議的主從處理模塊。

ENC424J600的初始化流程設計如圖6所示。

4 結 語

Modbus／TCP協(xié)議規(guī)定了一種大多數(shù)工業(yè)設備都能識別的數(shù)據(jù)包格式，通過該數(shù)據(jù)包格式能更加容易地與各種廠家的系統(tǒng)實現(xiàn)無縫鏈接，協(xié)議廣泛用于實時監(jiān)控網(wǎng)絡與現(xiàn)場設備的通信。筆者從開發(fā)的角度給出了一種基于Modbus／TCP協(xié)議的通訊控制系統(tǒng)的設計方案，在應用層上使用Modbus協(xié)議和工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互，從而可以達到遠程監(jiān)控工業(yè)設備運行狀況的目的。筆者提出的方案已經(jīng)成功應用于中石油長慶油田分公司某站的閥室中。實踐表明，Modbus／TCP協(xié)議可靠性高，配置靈活，適于工業(yè)控制領域應用。

圖5 Microchip公司的TCP／IP協(xié)議棧結構

圖6 ENC424J600的初始化流程圖

［1］陳志剛，張來斌，王朝暉 ．基于Modbus／TCP的管道泄漏遠程檢測系統(tǒng)研究 ［J］．石油機械，2006，34（5）：40-43．

［2］GB／Z 19582．3-2004，Modbus協(xié)議在 TCP IP上的實現(xiàn)指南 ［S］．

［3］Microchip．ENC424J600／624J600Stand-Alone 10／100Ethernet Controller with SPI or Parallel Interface［Z］．Microchip Technology Inc，2010．

［4］謝希仁 ．計算機網(wǎng)絡 ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［5］朱艾春，華鋼，高婷，等 ．Modbus／TCP協(xié)議在監(jiān)控分站中的實現(xiàn) ［J］．媒礦安全，2011，42（4）：79-81