基于嵌入式工控机和通信协议实现多功能网关的设计

jupitars

[paragraph]随着世界范围内网络和信息技术的日趋成熟，在工业通信和自动化应用中日益采用以太网和TCP/IP 协议作为最主要的通信接口和手段，向网络化、标准化、开放性方向发展将是 各种控制系统技术发展的主要潮流。然而，采用串口进行通信的现场设备仍然大量存在，且 必将在相当长的一段时间内存在。因此，在串口设备和工业以太网之间就需要有一个桥梁， 来消除工业现场中的“信息孤岛”。

Modbus/TCP 是Modbus 的延伸，它基于以太网和标准TCP/IP 协议，直接应用第四层。 它定义了一个结构简单的、开放和广泛应用的传输协议，用于主从式通信。Modbus TCP/IP 基本上用简单方式将Modbus 帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应。在TCP 帧中使用开放的Modbus 提供了一种系统规模可伸缩的方案，由10 个节点到100 个网络节 点。Modbus TCP/IP 在工业现场得到了广泛的应用，是目前工业以太网通信的事实上的标准。
本文以 MOXA 的嵌入式工控机UC7402-LX 为平台，在深入研究MODBUS 通信协议的 基础上，设计了一款多功能网关，既可以实现MODBUS/TCP 与MODBUS/RTU 的双向转换， 同时也可以实现MODBUS/TCP 与自定义串口通信协议的双向转换。
2 硬件平台简介
MOXA UC7402-LX 采用Intel Xscale IXP-422 266Mhz 处理器，内嵌Apache 网页服务器 支持PHP 和XML，低功耗和无风扇的设计使其结构紧凑，非常适合在工业环境当中使用。 MOXA UC7402-LX 配备有2 个10/100 Mbps 网口和8 个可通过软件设置的RS-232/485/422 串口，并预装有linux 系统。
3 MODBUS 协议
MODBUS是 MODICNO公司最先倡导的一种通信协议，经过许多公司的实际应用，逐渐被认 可，成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议，由于其功能比较完善而且协议开放，因此，被广泛应用于工业现场，在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信。它连接 单个分散的测量控制设备，使之可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系 统，具有分散控制、使用简单、简化系统结构、数据易于处理、节约硬件设备、易于安装和 维护等优点。
3.1 MODBUS RTU
MODBUS有两种串行传输模式，即RTU模式和ASCII模式。RTU模式以十六进制传送数据， 每个8bit字节包含两个4bit的十六进制字符。而ASCII模式是将一个字节分为两个ASCII字符 发送。因而在同样的波特率下，RTU模式比ASCII模式具有更高的吞吐率。大多数工业控制器 采用RTU模式。
MODBUS RTU的报文帧和字节长度如表1所示，报文总是由起始位、设备地址、功能码、 数据域、校验域和结束位组成。

                               
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3.2 MODBUS TCP
Modbus TCP 只是在 TCP/IP 协议的基础上进一步进行了modbus 报文的封装，其数据帧 如图1 所示，包含了报文头，功能代码和数据三部分，其中MBAP 报文头各域及所占字节长 度如表2 所示。

                               
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4 多功能网关软件设计
4.1 modbus tcp 与modbus rtu 协议转换
由上可知，modbus tcp 与modbus rtu 的协议转换的核心即为数据帧的解封装与封装。 Modbus 最初在串行链路上的实现（最大RS485ADU=256 字节）限制了Modbus PDU 的长度。 因此，对串行链路通信来说，Modbus PDU=256-服务器地址（1 字节）-CRC（2 字节）＝253字节。从而：RS232 / RS485 ADU = 253 字节+服务器地址（1 字节） + CRC （2 字节）= 256 字节。 TCP Modbus ADU = 253 字节+ MBAP （7 字节） = 260 字节。如图3 所示为modbus RTU 为 master 时的软件流程图，部分代码摘录如下：

                               
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4.2 modbus tcp 与自定义串口协议转换
自定义串口协议与 modbus rtu 类似，但由于其协议为自定义的，导致ADU 的格式并不 固定，这就需要定制该函数。本文目前只针对单一设备的情况，因此采取将串口数据帧直接 作为modbus tcp 的PDU，而MBAP 采用固定格式处理，完成了对单一串口单台设备连接的 透明处理。
5 结束语
Frenic-Mini 为富士的一款变频器，支持简易的modbus 的协议。本设计利用Frenic-mini 连接三相异步电机，采用modbus rtu 与moxa 7402-LX 通信，成功地实现了远程变频器停启 及频率读取。如下图4 所示，为测试连接图。

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