李勇，黃健

（中山職業(yè)技術學院，中山528404）

1 Modbus協(xié)議分析

Modbus協(xié)議是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡的設備之間提供客戶機／服務器通信。Modbus通信棧模型如圖1所示［1］。物理層協(xié)議以EIA／TIA－232、EIA／TIA－485串行鏈路協(xié)議和以太網(wǎng)II／802.3協(xié)議為代表。Modbus協(xié)議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，PDU中的功能碼向服務器指示將執(zhí)行哪種操作，如對線圈、寄存器的讀寫操作。特定總線或網(wǎng)絡上的Modbus協(xié)議映射能夠在應用數(shù)據(jù)單元ADU上引入一些附加域。

圖1 Modbus通信棧模型

串行鏈路上的Modbus幀數(shù)據(jù)結構如圖2所示。其中，地址域即為附加域，占用一個字節(jié)，按編碼形式可分為ASCII和RTU兩種。

圖2 Modbus串行鏈路數(shù)據(jù)單元

Modbus／TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。其中，MBAP報文頭占7個字節(jié)，這種報文頭提供一些與串行鏈路上使用的Modbus RTU應用數(shù)據(jù)單元的差別:

圖3 Modbus TCP／IP數(shù)據(jù)單元

①用MBAP報文頭中的單個字節(jié)單元標識符取代Modbus串行鏈路上通常使用的Modbus從地址域。這個單元標識符用于設備的通信，這些設備使用單個IP地址支持多個獨立Modbus終端單元（例如網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關）。

②用接收者可以驗證完成報文的方式設計所有Modbus請求和響應。對于Modbus PDU有固定長度的功能碼來說，僅功能碼就足夠了。對于在請求或響應中攜帶一個可變數(shù)據(jù)的功能碼來說，數(shù)據(jù)域包括字節(jié)數(shù)。

③當在TCP上攜帶Modbus時，即使將報文分成多個信息包來傳輸，也需在MBAP報文頭上攜帶附加長度信息，以便接收者能識別報文邊界。顯式和隱式長度規(guī)則的存在以及CRC－32差錯校驗碼的使用（在以太網(wǎng)上）將對請求或響應報文產(chǎn)生極小的未檢出干擾。

MBAP報文頭包括下列域:事務元標識符，2個字節(jié)，作為Modbus請求／響應事務處理的識別碼；協(xié)議標識符，2個字節(jié)，約定為0；長度域，2個字節(jié)，指示接下來字節(jié)的數(shù)量；單元標識符，1個字節(jié)，串行鏈路或其他總線上連接的遠程從站的識別碼。要實現(xiàn)Modbus／TCP轉換器，進行Modbus TCP ADU與ASCII ADU之間，Modbus TCP ADU與RTU ADU之間的轉換是核心內(nèi)容。

2 網(wǎng)絡單片機PIC18F67J60

PIC18F67J60系列單片機具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊。它是一個完整的連接解決方案，完全實現(xiàn)介質(zhì)訪問控制和物理層收發(fā)器模塊，只需使用2個脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機直接與以太網(wǎng)相連。以太網(wǎng)模塊包含以下5個主要功能模塊:

①PHY收發(fā)器模塊。對傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，并通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收。

②MAC模塊。實現(xiàn)了符合IEEE802.3規(guī)范的MAC邏輯，并提供用以控制PHY的MIIM（Media Independent Interface Management）。

③獨立的8 KB RAM緩沖區(qū)。用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

④判優(yōu)器。在單片機內(nèi)核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時，控制對RAM緩沖區(qū)的訪問。

⑤寄存器接口。作為以太網(wǎng)模塊和單片機特殊功能寄存器（SFR）之間的命令和內(nèi)部狀態(tài)信號譯碼器［2］。

PIC18F67J60的以太網(wǎng)模塊符合IEEE802.3中所有關于雙絞線網(wǎng)絡10－Base T連接的規(guī)定。其內(nèi)部實現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)包過濾機制，用于限制傳入的數(shù)據(jù)包；同時，還提供了1個用于實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的內(nèi)置DMA模塊、硬件IP的校驗和計算，以及2個用于指示鏈路和網(wǎng)絡活動的LED輸出。

PIC18F67J60還提供了2個增強型USART（支持RS232和RS485）、5個定時器、27個中斷源、128 KB的代碼存儲空間、接近4 KB的RAM空間，為TCP／IP協(xié)議棧和Modbus協(xié)議轉換提供了硬件支持。

3 Microchip TCP／IP協(xié)議棧分析

Microchip公司提供免費的TCP／IP軟件棧，它服務于標準的、基于TCP／IP的應用程序，或者使用在定制的、基于TCP／IP的應用程序中。本應用系統(tǒng)使用的是該協(xié)議棧的4.02版本。類似于TCP／IP參考模型，Microchip TCP／IP協(xié)議棧將TCP／IP協(xié)議棧分為多層，如圖4所示。每層的實現(xiàn)代碼駐留在一個獨立的源文件中，而服務和應用程序編程接口（API）是通過頭文件或包含文件定義的。

圖4 Microchip TCP／IP協(xié)議棧結構

與TCP／IP參考模型不同的是，Microchip TCP／IP協(xié)議棧中的許多層可以直接訪問在它下面的一層或多層。關于一個層是否繞過相鄰模塊來獲得所需的服務，主要根據(jù)開銷的大小，以及服務是否需要智能處理后才能傳遞到下一層來決定［3］。與傳統(tǒng)TCP／IP協(xié)議棧實現(xiàn)方法的不同之處是，添加了2個新模塊——Stack Task和ARPTask。Stack Task管理協(xié)議棧及其所有模塊的操作，而ARPTask管理地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）層的服務。

Microchip TCP／IP協(xié)議棧使用了協(xié)同式多任務處理技術。在協(xié)同式多任務處理系統(tǒng)中同時存在多個任務，每個任務執(zhí)行自己的作業(yè)然后交回控制權，這樣下一個任務才能夠執(zhí)行作業(yè)。Stack Task和ARPTask都是協(xié)同式任務。通常，協(xié)同式多任務處理（或任何其他類型的多任務處理）是由操作系統(tǒng)或主應用程序自身來實現(xiàn)的。Microchip TCP／IP協(xié)議棧被設計為獨立于任何操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)它自己的協(xié)同式多任務處理系統(tǒng)。因此，它可以被應用在任何系統(tǒng)中，而不論該系統(tǒng)是否為多任務操作系統(tǒng)。但是，使用Microchip TCP／IP協(xié)議棧的應用程序自身必須使用協(xié)同式多任務處理方法。

4 軟件實現(xiàn)框架

本轉換器需要實現(xiàn)以下4種工作模式:

①TCP從站轉RTU從站。在本工作模式下把和轉換器相連的Modbus／RTU從站轉化為Modbus／TCP從站，這樣Modbus／TCP主站就可以通過以太網(wǎng)訪問Modbus／RTU從站。

②TCP從站轉ASCII從站。在本工作模式下把和轉換器相連的Modbus／ASCII從站轉化為Modbus／TCP從站，這樣Modbus／TCP主站就可以通過以太網(wǎng)訪問Modbus／ASCII從站。

③ASCII主站轉TCP主站。在本工作模式下把和轉換器相連的Modbus／ASCII主站轉化為Modbus／TCP主站，這樣Modbus／TCP從站就可以通過以太網(wǎng)訪問Modbus／ASCII主站。

④RTU主站轉TCP主站。在本工作模式下把和轉換器相連的Modbus／RTU主站轉化為Modbus／TCP主站，這樣Modbus／TCP從站就可以通過以太網(wǎng)訪問Modbus／RTU主站。

轉換器軟件系統(tǒng)框架如圖5所示。RS232／485傳輸管理模塊中的“參數(shù)控制”部分管理通信波特率的設置，Modbus串行鏈路協(xié)議中要求整條鏈路上的Modbus設備設置為同樣的波特率；“超時管理”中根據(jù)設置的波特率啟動兩個定時，分別記錄Modbus定義的報文間超時和字符間超時。協(xié)議轉換模塊根據(jù)本機設置，在TCP ADU和ASCII／RTU ADU之間進行用戶數(shù)據(jù)包格式轉換。TCP管理層中“連接管理”負責管理報文的傳輸連接。系統(tǒng)設置為用戶提供各種參數(shù)設置和工作模式設置的接口。

圖5 轉換器軟件系統(tǒng)框架

5 總 結

PIC18F67J60豐富的片上資源為本文實現(xiàn)的轉換器提供了單片的、低成本的實現(xiàn)方案，免費并且開源的Microchip TCP／IP協(xié)議棧能輕松地支持Microchip 8位單片機，很大程度上節(jié)約了開發(fā)時間，同時也保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。本套系統(tǒng)相對市面上其他同類轉換器，具有成本低、體積小、便于安裝等特點，具有一定市場價值。

［1］Microchip Technology Inc.Modbus協(xié)議中文版，2006.

［2］Microchip Technology Inc.PIC18F67J60 datasheet，2008.

［3］Microchip Technology Inc.Microchip TCP／IP協(xié)議棧，2006.