基于Modbus/TCP協(xié)議的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)

韓 松，李 奎，王麗麗，陳思敏

(河北工業(yè)大學(xué)，河北省電器研究所，天津 300130)

0 引言

Modicon于1979年發(fā)表的C/S結(jié)構(gòu)的串行總線協(xié)議Modbus[1]，以其開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)、交互性好的優(yōu)勢(shì)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：截止到2007年，Modbus節(jié)點(diǎn)安裝量已超過(guò)1 000萬(wàn)。但由于485總線規(guī)約的限制性，進(jìn)一步提高485總線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性的工作進(jìn)展緩慢。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)合485總線和以太網(wǎng)技術(shù)建立廣泛高效的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控成為必然。

1 總體功能設(shè)計(jì)

目前，Modicon公司已經(jīng)將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA組織，并成立Modbus-IDA為其發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在中國(guó)，Modbus國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 19582—2008，制定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)有JB/T 10709—2007低壓電器通信適配器，GB/T 27745—2011低壓電器通信規(guī)范，參考以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總體功能設(shè)計(jì)如下[2-3]：

(1)設(shè)計(jì)工作穩(wěn)定可靠的硬件部分；

(2)實(shí)現(xiàn)485串口到以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)的透明傳輸；

(3)實(shí)現(xiàn)TCP-server模式；

(4)實(shí)現(xiàn)通信參數(shù)(串口及網(wǎng)絡(luò)參數(shù))在線修改；

(5)實(shí)現(xiàn)與Modbus端多通信節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。

2 Modbus協(xié)議分析

Modbus協(xié)議位于OSI七層體系的應(yīng)用層，定義了一個(gè)統(tǒng)一的報(bào)文模型，使其經(jīng)過(guò)不同底層網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，控制器都能識(shí)別其消息結(jié)構(gòu)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的Modbus協(xié)議在支持RS232/422/485外，還將TCP/IP協(xié)議納入其中，形成Modbus/TCP協(xié)議[4]來(lái)支持工業(yè)以太網(wǎng)上的設(shè)備。

2．1Modbus傳輸模式

用戶可以選擇ASCII或RTU傳輸模式，在圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)Modbus數(shù)據(jù)幀[5]格式中可知，RTU模式字符傳送效率高，字符傳送間隔小，連續(xù)性強(qiáng)，更能滿足工業(yè)監(jiān)控的高實(shí)時(shí)性要求。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)Modbus數(shù)據(jù)幀

Modbus信息服務(wù)采用一主多從、客戶/服務(wù)器模式[6]來(lái)交換實(shí)時(shí)信息，總線上的從站同時(shí)監(jiān)聽(tīng)主站信息，收到主站信息后將信息中的地址與自身地址進(jìn)行比對(duì)，若相同則做出回應(yīng)，若不同則不響應(yīng)，信息交換過(guò)程、信息數(shù)據(jù)類(lèi)型、常用功能碼[7]如圖2所示。其中，請(qǐng)求為客戶為執(zhí)行某操作發(fā)送請(qǐng)求信息；接收為服務(wù)器接收用戶的請(qǐng)求信息；響應(yīng)為服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)信息；確認(rèn)為客戶確認(rèn)響應(yīng)信息。

圖2 客戶/服務(wù)器模式

2．2Modbus/TCP

Modbus/TCP規(guī)范主要闡述在互聯(lián)網(wǎng)上具有普遍可用性的基于TCP通信協(xié)議的Modbus報(bào)文的特殊編碼，在TCP/IP中為了識(shí)別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元使用了專(zhuān)用的MBAP(MODBUS Application Protocol Header)報(bào)文頭。Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀格式及MBAP報(bào)文頭組成與含義如圖3所示。

圖3 Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀

3 串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3．1工作模式問(wèn)題

由于Modbus協(xié)議本身不具有網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，所以Modbus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)并不是簡(jiǎn)單物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)化，而是將Modbus RTU數(shù)據(jù)幀嵌入到Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀中，用TCP/IP封裝的方式傳輸。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可選用模式如表1所示。

表1 Modbus/TCP傳輸模式

在工業(yè)自動(dòng)化中，有些設(shè)備一旦發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p害，所以Modbus總線設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)要選用TCP工作模式。

3．2串口分幀

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送的，而串口數(shù)據(jù)則是連續(xù)不斷發(fā)送的，何時(shí)把串口接收的數(shù)據(jù)打包后作為一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送常用的方法如下：

3．2．1 規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度

若設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為N(N<1 500 B)，串口接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為M，則：

當(dāng)M

當(dāng)M≥N時(shí)，觸發(fā)以太網(wǎng)發(fā)送中斷，將串口收到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送；

當(dāng)M>N時(shí)，將N個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)作為一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送，舍棄多余的數(shù)據(jù)。

由此可見(jiàn)這種方法實(shí)時(shí)性低、可靠性差。

3．2．2 規(guī)定相鄰兩字節(jié)數(shù)據(jù)接收時(shí)間間隔

若此時(shí)串口接收數(shù)據(jù)流中相鄰兩字節(jié)間空閑時(shí)間為K，設(shè)置接收間隔為T(mén)，則：

當(dāng)K

當(dāng)K≥T時(shí)，認(rèn)為之前串口收到的數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送。

T的設(shè)定值需要根據(jù)Modbus協(xié)議規(guī)約及實(shí)際串口波特率來(lái)計(jì)算以達(dá)到較好的實(shí)時(shí)性，由圖1可知，Modbus RTU傳輸模式規(guī)定以至少傳輸3.5個(gè)字符的時(shí)間間隔作為區(qū)分上一幀與下一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，故T≥T3.5字符，在工業(yè)應(yīng)用中為保持實(shí)時(shí)性，所以T應(yīng)該取最小值T3.5字符，若設(shè)置串口波特率為9 600 bit/s，傳輸1位數(shù)據(jù)的時(shí)間為：

(1)

式中：T1bit為485串口傳輸1位數(shù)據(jù)的時(shí)間，ms；BaudRate為485串口波特率，bit/s．

T=T3.5字符=T1bit×(8+2)×3.5

(2)

式中：T為設(shè)置的數(shù)據(jù)接收間隔，ms；T3.5字符為串口接收3.5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間，ms；T1bit為串口傳輸一位數(shù)據(jù)的時(shí)間，ms．

由于Modbus RTU模式傳輸一個(gè)字節(jié)(8位)數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)增加一個(gè)識(shí)別起始位、一個(gè)識(shí)別終值位，所以傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸了10位數(shù)據(jù)。

4 硬核設(shè)計(jì)

為使該網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定完成設(shè)計(jì)功能，并且滿足經(jīng)濟(jì)化原則，經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)完成的硬核原理框圖如圖4所示。

圖4 硬件原理框圖

5 軟核設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)Modbus協(xié)議理論及串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的分析，最終選用開(kāi)源、精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧OpenTCP實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，軟核結(jié)構(gòu)[8]如圖5所示。

圖5 軟核結(jié)構(gòu)圖

硬核是網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的載體，而軟核才是該遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵，以硬核固有片上資源利用效率最大化的原則，設(shè)計(jì)的軟核流程框圖如圖6所示。

圖6 軟核流程框圖

(1)網(wǎng)關(guān)上電后，首先進(jìn)行中斷初始化，避免在初始化未完成之前觸發(fā)中斷，產(chǎn)生無(wú)法預(yù)知的運(yùn)行錯(cuò)誤；進(jìn)行主芯片初始化，包括時(shí)鐘初始化、計(jì)時(shí)器初始化等；進(jìn)行串口及以太網(wǎng)初始化，包括串口及以太網(wǎng)各參數(shù)設(shè)置；

(2)建立TCP連接；

(3)判斷是否觸發(fā)復(fù)位中斷，若觸發(fā)則啟動(dòng)復(fù)位模塊，調(diào)用SPI讀寫(xiě)程序，將復(fù)位IP、波特率寫(xiě)入EEPROM相應(yīng)存儲(chǔ)位置，此功能通過(guò)按鍵觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)，若要觸發(fā)此中斷，則網(wǎng)關(guān)上電前按住按鍵，上電后3 s松開(kāi)即可，可以防止用戶忘記本網(wǎng)關(guān)的IP地址，提高用戶體驗(yàn)。

(4)判斷是否觸發(fā)參數(shù)配置中斷，若觸發(fā)了此中斷，則啟動(dòng)配置模塊，判斷用戶修改還是讀取串口及以太網(wǎng)各通信參數(shù)，若是修改參數(shù)，則擦除EEPROM中已存的參數(shù)，將用戶新的修改值存入EEPROM中，并重新初始化串口及以太網(wǎng)；若是讀取參數(shù)，則讀取EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并返回至監(jiān)控中心，此功能通過(guò)預(yù)設(shè)功能碼的方式實(shí)現(xiàn)；

(5)判斷以太網(wǎng)端是否收到數(shù)據(jù)，若以太網(wǎng)端收到監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Modbus模塊，把收到Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀中包含的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(PDU)提取出來(lái)，按照Modbus RTU數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送給下行智能設(shè)備；

(6)判斷Modbus端是否收到數(shù)據(jù)，若Modbus端收到數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)Modbus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，把Modbus RTU數(shù)據(jù)幀中的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(PDU)嵌入到Modbus TCP數(shù)據(jù)幀中，通過(guò)TCP連接傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)端監(jiān)控中心。

6 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試該網(wǎng)關(guān)的性能，設(shè)計(jì)了多通信節(jié)點(diǎn)測(cè)試方案，如圖7所示。

圖7 多通信節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)圖

為從根本上證明該網(wǎng)關(guān)通信的正確性、穩(wěn)定性，測(cè)試系統(tǒng)選用TCP測(cè)試工具(客戶端模式)V1．0為上位機(jī)監(jiān)控軟件，選用示波器抓二進(jìn)制波形獲取上下行命令，選用萬(wàn)能式斷路器、塑殼斷路器、智能控制器各一臺(tái)構(gòu)建Modbus總線端3個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。

Modbus RTU在傳輸字節(jié)時(shí)以0(低電平)起始，以1(高電平)結(jié)束，并且以LSB(低位先傳)的方式傳輸，即如果傳輸字節(jié)為00000001(0X01)，在示波器捕捉到的信號(hào)為0100000001，具體測(cè)試項(xiàng)目及數(shù)據(jù)如下：

遙測(cè)：選用03功能碼獲取斷路器A相電壓。

下行命令：01(從站地址) 03(功能碼) 00 01 (起始寄存器地址)00 01(讀取寄存器個(gè)數(shù)) D5 CA(CRC校驗(yàn)碼)

由示波器獲取的下行命令二進(jìn)制波形如圖8所示。

圖8 下行命令二進(jìn)制波形

則二進(jìn)制譯碼如下：

0100000001 0110000001

0000000001 0100000001

0000000001 0100000001

0101010111 0010100111

上行命令：01(從站地址) 03(功能碼) 02(字節(jié)數(shù)) 00 DA(A相電壓值)39 DF(CRC校驗(yàn)碼)

由示波器獲取的上行命令二進(jìn)制波形如圖9所示。

二進(jìn)制譯碼如下：

0100000001 0110000001

0010000001 0000000001

0010110111 0100111001

0111110111

同樣，可以以類(lèi)似的方法測(cè)試遙信、遙調(diào)、遙控功能，注意在測(cè)試過(guò)程中要遵照測(cè)試設(shè)備的Modbus通信協(xié)議發(fā)送命令，特別注意的是EIA-485總線工作模式為半雙工，所以連續(xù)發(fā)送兩條命令的時(shí)間間隔不能太短，否則會(huì)發(fā)生響應(yīng)錯(cuò)誤。若下行命令字節(jié)數(shù)為A，上行命令字節(jié)數(shù)為B，則應(yīng)設(shè)置：

圖9 上行命令二進(jìn)制波形

(3)

式中：T′為兩條相鄰命令時(shí)間間隔，ms；T1bit為串口傳輸一位數(shù)據(jù)的時(shí)間，ms；A為上行命令數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)；B為下行命令數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試該遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)可以穩(wěn)定完成設(shè)計(jì)功能，選用的示波器經(jīng)天津市電子計(jì)量中心校準(zhǔn)，測(cè)試結(jié)果具有溯源性。以太網(wǎng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過(guò)該網(wǎng)關(guān)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行集中控制，優(yōu)化資源配置，如可以通過(guò)此網(wǎng)關(guān)將帶有Modbus接口的智能電表聯(lián)入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，將帶有Modbus接口的水泵智能控制器聯(lián)入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村灌溉自動(dòng)化等，為國(guó)家智能電網(wǎng)、智慧城市的建設(shè)提供有利條件。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：韓松(1988-)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娖骺煽啃耘c測(cè)試技術(shù)、智能電器及通訊技術(shù)。E-mail：HShebut@126．com