Modbus-Modbus TCP/IP的網關設計*

李英奇，吳桂初

(溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州325000)

“十二五”規(guī)劃綱要將“智能電網”正式納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，特別提出“現(xiàn)代電網體系要適應大規(guī)模跨區(qū)輸電和新能源發(fā)電并網的要求。進一步擴大輸電規(guī)模，完善主干電網，依托信息、控制和儲能等先進技術，推進智能電網建設?！彪娋W主要包含了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和其他輔助部分[1]。低壓的配電和用電端是智能電網的末端，是電能最主要的消耗部分，大約占到80%。因此智能電網的建設要求配電和用電所需要的低壓電器必須具備數據通信與采集等智能化特性[2]。

當前，國內外許多大型低壓電器設備廠的產品都支持Modbus總線標準。但是，智能電網的信息化建設利用的是以太網等方式，而非現(xiàn)場總線技術[3]。這就要求數據能在以太網與現(xiàn)場總線之間進行交互。

國外的幾大電器也都有相應的網關設備，但是價格昂貴。國內目前也有些類似的產品出現(xiàn)，相對于國外的產品，雖然在價格上有極大的優(yōu)勢，但是通信速度較慢，只能簡單地實現(xiàn)單鏈路的連接，功能并不完善。

開發(fā)一款價格低廉、性能優(yōu)越的網關設備是智能電網建設過程中一個必要的需求。因此提出了一個在STM32F107芯片上實現(xiàn)Modbus-Modbus TCP/IP協(xié)議轉化的解決方案，能在成本上和性能上同時滿足需求。

1 Modbus協(xié)議

Modbus是Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年開發(fā)的一項在OSI模型第7層的應用層報文傳輸協(xié)議，在過去幾十年已被大量地應用于工業(yè)控制領域的開放的、標準的、免費的網絡通信協(xié)議[4]。它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信：在串行鏈路上取決于TIA/EIA標準(232-F和485-A)，在TCP/IP上取決于 IETF標準(RFC793和RFC791)。

1.1 串行鏈路的通信

Modbus在串行鏈路采用主/從方式的通信協(xié)議，即Modbus通信由主站發(fā)起，從站在未收到主站請求時，不能主動發(fā)起數據。Modbus在串行鏈路上的通信幀包括地址域、功能域、數據域和校驗域。

Modbus在串行鏈路上的通信幀分為RTU和ASCII兩種模式[5]，其中RTU模式通信幀中的8 bit數據包括2個4 bit十六進制字符，相對于ASCII模式，在表達相同的數據信息時RTU需要的位數較少，在相同的傳輸速率下RTU有更高的數據吞吐量。

在RTU傳輸模式中，用3.5個字符的時間間隔將報文幀區(qū)分開，幀內兩個字符之間的間隔必須小于1.5個字符時間，當傳輸速率大于19 200 b/s時，可以采用1.750 ms的固定值替代3.5個字符時間作為幀間的延遲時間，用750 μs替代1.5個字符時間作為字符超時時間。

1.2 Modbus TCP/IP應用數據單元

在基于TCP/IP的Modbus中，每個應用數據單元的結構包含Modbus應用報文頭、功能碼域和數據域。其中MBAP(Modbus Application Protocol Header)的報文頭長度為7 B，該報文的字段如表1所示。

1.3 Modbus串行鏈路和Modbus TCP/IP轉換

要使在串行鏈路傳輸的Modbus數據包能在以太網進行無阻礙、準確的傳輸，必須對串行鏈路上的數據包或以太網數據包進行處理、轉化。一般的辦法是以TCP/IP協(xié)議為基礎，將數據量較小的串行鏈路上的數據包封裝在TCP/IP幀中。由于Modbus在串行鏈路中的幀格式不同于在TCP/IP中傳輸的幀格式，因此在進行TCP/IP封裝前必須將Modbus在串行鏈路中的幀格式轉換成Modbus TCP/IP應用數據單元結構。同樣地，對于在以太網上輸出的Modbus數據包，必須先對TCP/IP數據包進行拆包，之后再對數據內容進行幀格式轉換，將Modbus TCP/IP的ADU轉換成串行鏈路上的ADU，最后才能在串行鏈路上進行通信。

2 系統(tǒng)硬件電路

STM32系列芯片是意法半導體專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內核芯片。其中STM32F107互連型系列微控制器內部集成高性能以太網模塊，支持通過以太網進行數據的收發(fā)?；赟TM32F107的硬件電路如圖1所示。

圖1 STM32F107的硬件電路

整個系統(tǒng)電路包含STM32F107最小單元、以太網接口電路、電平轉換電路和電源電路四部分。

STM32F107最小系統(tǒng)單元包括復位電路、晶振電路和程序下載電路。晶振電路中，選用25 MHz的無源器件作為系統(tǒng)時鐘源，同時通過配置芯片的相關寄存器使系統(tǒng)工作在最高的72 MHz。

在以太網接口電路中由于STM32F107內部已經集成了以太網模塊，因此只需要增加一個DP83848物理層芯片并通過RMII連接方式，再接上標準的RJ45接口，就能形成10/100 M以太網電路。

Modbus在串行鏈路中一般采用RS485通信接口，它是一種差動半雙工的通信方式，而STM32F107自帶的是USART異步串行通信接口，因此通過SP3485電平轉換芯片將STM32F107芯片的USART接口轉換成RS485接口，才能與工業(yè)設備進行信息通信。

STM32F107等芯片需要的工作電源一般都在3.3 V，而電源變壓器輸出的電壓為5 V，這就需要將輸入的5 V電源電壓轉成3.3 V，用來提供給芯片工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計部分的關鍵主要在于μCOSII移植、兩個事務處理任務和多線程與緩沖區(qū)設計。

3.1 μCOSII移植

μCOSII是一種專門為嵌入式設備設計的源代碼公開、可移植、可固化、可裁減、搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)，自1992年發(fā)布以來就獲得廣泛的使用。在將μCOSII移植到STM32的固件平臺時，必須對其進行修改、編寫。其中主要的內容有：(1)基本配置和定義。包括與編譯器相關的數據類型和定義棧的增長方向。(2)編寫與處理器相關的函數。包括運行優(yōu)先級最高的就緒任務函數 OSStartHighRdy()、任務優(yōu)先級切換函數 OSCtxSw()、中斷級的任務切換函數OSInitCtxSw()和時鐘節(jié)拍中斷服務函數OSTickISR()。(3)編寫與操作系統(tǒng)相關的函數。

在 μCOSII中的 OS_CPU_C.C的文件中包含 6個與CPU相關的函數，其中在移植中必不可少的任務是堆棧初始化函數OSTaskStkInit()。

3.2 事務處理任務

μCOSII是一個多任務的實時操作系統(tǒng)，最多可以管理64個任務，根據實際需求創(chuàng)建兩個任務：

與以太網通信的TaskModbusTCP任務一：系統(tǒng)開始運行后，任務一處于空閑狀態(tài)，同時監(jiān)聽以太網的502端口，此端口是Modbus TCP/IP的默認端口；當端口接收到有效數據時，程序對其進行拆包分析后，再經過μCOS的郵箱機制將數據發(fā)送給任務二，之后任務一進入等待響應狀態(tài)，同時開啟超時響應定時器；當在超時響應時間內接收到郵箱中來自任務二的響應數據時，任務一進入到處理應答狀態(tài)，對其數據進行打包封裝等處理后送至502端口，然后重新進入到空閑狀態(tài)。至此完成一次正確的Modbus TCP/IP的通信過程。其任務的狀態(tài)流圖如圖2所示。

與從站通信的TaskMastertask任務二：系統(tǒng)開始運行后，任務二進入空閑狀態(tài)；當μCOS的郵箱收到數據后，任務二提取郵箱中的數據，首先進行數據有效性分析，然后再對數據添加CRC校驗，使數據符合Modbus在串行鏈路上的通信幀，接著通過RS485接口將數據發(fā)送到總線上，同時超時響應定時器開啟，任務二進入等待響應狀態(tài)；若在超時響應時間內接收到從站的響應，則進入應答處理，并對數據進行處理分析。如果數據正確且有效，則通過郵箱發(fā)送給任務一，然后進入空閑狀態(tài)中等待下一次的郵箱數據。其任務的狀態(tài)流圖如圖3所示。

表1 MBAP報文頭的字段

圖2 任務一TaskModbusTCP狀態(tài)流圖

圖3 任務二TaskMastertask狀態(tài)流圖

3.3 多線程與緩沖區(qū)

由于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信速率普遍較低，當數據在現(xiàn)場總線與以太網進行交互時，通信速率受限于工業(yè)控制端的速率，采用多線程與存儲池相結合的技術來匹配現(xiàn)場總線和以太網的傳輸速率。即當多線程的類似指令連接時，網關的現(xiàn)場總線端只發(fā)送一次指令，將得到的數據放到存儲池中，然后再解析給各個線程。

4 測試結果

測試中，采用環(huán)宇集團的HUM8D-400型和HUM8D-225型塑料外殼智能斷路器作為Modbus的從站設備，利用第三方軟件Modbus Poll模擬主站設備如圖4所示。

圖4 Modbus Poll測試界面

對于以太網通信的可靠性的重要參數有：IP包傳輸延時、IP包的誤碼率、IP包的丟失率等[6]。然而現(xiàn)場總線的網絡性能與以太網有很大的不同，其主要指標包含傳輸距離、傳輸速率、丟包率等，同時這些指標隨著負載的變化而變化，因此本文對于以太網到現(xiàn)場總線的通信性能從不同的負載和傳輸速率方面對IP包的響應時間、誤碼率和丟失率進行測試。其中數據接收準確性測試參數為500 000次數據指令，RS485接口通信距離100 m；響應時間為以太網數據包從發(fā)送到接收到響應數據包的整體時間，包括設備的響應時間和數據包在線路的傳輸時間。單線程測試結果整理后如表2所示。多線程存儲池結果整理后如表3所示。

表2與表3的測試結果說明，網關能夠很好地保證數據通信的準確性和可靠性。同時響應時間受網關波特率的制約，提高波特率能有效地提高響應時間。同時利用多線程與存儲池技術，可以大大減少單線程情況下運行多指令所消耗的時間。

利用STM32所設計的網關不僅能夠有效地進行通信，同時對比于目前市場上售價高達數千元的類似設備，僅需要不到百元的成本，大大提高了其推廣的可能性。

當前的工業(yè)現(xiàn)場設備在通信中基本都能夠支持Modbus，通過網關進行數據交互，為遠程的遙信提供有力的支持。

表2 單線程測試結果

表3 多線程存儲池實驗測試結果

[1]國網能源研究院.2012國內外智能電網發(fā)展分析報告[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]尹天文.智能電網用戶端[J].低壓電器，2012(5)：59-64.

[3]何瑞華.我國新一代低壓電器發(fā)展與展望[J].低壓電器，2012(1)：1-6.

[4]華镕.從Modbus到透明就緒：施耐德電氣工業(yè)網絡的協(xié)議、設計、安裝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]Modicon Inc.Modicon Modbus protocol reference guide[EB/OL].[2002-7].www.schneider-electric.com.

[6]李揚繼，范寶峰，楊洋.網絡性能測量技術分析[J].網絡與信息技術，2006，25(10)：34-35.