王瓊玫，翁慧輝 （長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)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(yīng)用于幾乎所有領(lǐng)域的開放的TCP／IP技術(shù)，應(yīng)用層采用工業(yè)控制領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的、開放的Modbus協(xié)議，使用戶徹底擺脫了非標(biāo)準(zhǔn)的、封閉的專用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的束縛，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程分布式的實(shí)時(shí)監(jiān)控和在線數(shù)據(jù)分析。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)的讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表的數(shù)據(jù)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，并且能夠根據(jù)讀取的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析［1］。為此，筆者提出了基于Modbus／TCP協(xié)議的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1 Modbus／TCP協(xié)議

Modbus現(xiàn)場(chǎng)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(luò)協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議，控制器相互之間、控制器和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行通信。它是一個(gè)請(qǐng)求／應(yīng)答協(xié)議。Modbus和TCP／IP協(xié)議結(jié)合成為Modbus／TCP協(xié)議，是OSI模型上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，采用了客戶機(jī)／服務(wù)器通信模型。在客戶端，負(fù)責(zé)把來(lái)自用戶的信息封裝成Modbus幀；在服務(wù)器端，負(fù)責(zé)解釋來(lái)自客戶端的 Modbus幀，執(zhí)行相應(yīng)的請(qǐng)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(bào)文頭，用來(lái)識(shí)別 Modbus的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。MBAP報(bào)文頭共7個(gè)字節(jié)，分為事件處理標(biāo)識(shí)符 （2bytes）、協(xié)議標(biāo)識(shí)符 （2bytes）、長(zhǎng)度域 （2bytes）、單元標(biāo)識(shí)符 （1bytes）。功能碼規(guī)定了服務(wù)器和客戶端所要執(zhí)行的操作，典型的有讀線圈 （0x01）、寫單個(gè) 線圈 （0x05）、讀輸入寄存器 （0x04）、讀多個(gè)寄存器（0x03）等。通過(guò) Modbus／TCP協(xié)議將TCP／IP網(wǎng)絡(luò)上的客戶機(jī)和服務(wù)器設(shè)備連接起來(lái)，組成Modbus／TCP通信系統(tǒng)［2］。

圖2 Modbus／TCP通信結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)利用網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)可以連接Modbus串行鏈路客戶機(jī)和服務(wù)器終端設(shè)備，其通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，信息技術(shù)已逐步進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。以太網(wǎng)技術(shù)以其開發(fā)性好、通信速率高、價(jià)格低廉、兼容性好以及應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了它在工業(yè)控制領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用，形成了當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。由于Modbus協(xié)議和TCP協(xié)議比較方便實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，使得Modbus／TCP這一應(yīng)用層協(xié)議廣泛應(yīng)用于電力、水利、冶金、化工、機(jī)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(yuǎn)程通訊服務(wù)。該芯片是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口 （Serial Peripheral Interface，SPI）或柔性并行接口的獨(dú)立快速以太網(wǎng)控制器，可用作任何配備有SPI或標(biāo)準(zhǔn)并行端口的單片機(jī)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(guò)濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。該器件還提供了一個(gè)16位寬的內(nèi)部DMA，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件IP校驗(yàn)和計(jì)算支持。

芯片內(nèi)置PHY物理層及MAC媒體訪問(wèn)控制層。安全引擎模塊可執(zhí)行 RSA、Diffie-Hellman、AES、MD5和SHA-1算法計(jì)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(gè)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(guò)SPI或并行接口與單片機(jī)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(dòng)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(jié)構(gòu)圖

3 Modbus／TCP通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用dsPIC30F6014的高性能數(shù)字信號(hào)處理器的SPI總線通信方式，采用美國(guó)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(guò)dsPIC30F6014控制器內(nèi)置的異步收發(fā)器接收現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上傳的報(bào)文，將應(yīng)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(guò)以太網(wǎng)上傳給各閥室交換機(jī)，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。Modbus／TCP通訊的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3．2 Modbus／TCP總線接口設(shè)計(jì)

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(guò)SPI總線和中斷與dsPIC30f6014微控制器進(jìn)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(luò)變壓器，消除了雙絞線上的干擾和部分諧波，實(shí)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)差分對(duì)和電流模式發(fā)送器，它主要是當(dāng)PHY發(fā)送時(shí)通過(guò)改變發(fā)送接口TX＋和TX-的相對(duì)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(gè)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(gè)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(hào)路徑上構(gòu)成一個(gè)RC濾波器來(lái)降低基線漂移。C3和C4在防止直流電流的同時(shí)為2個(gè)差分對(duì)提供穩(wěn)定的共模電壓。

ENC424J600與單片機(jī)dsPIC30F6014的連接可通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)，且ENC424J600僅支持SPI模式0，0。單片機(jī)dsPIC30F6014通過(guò)SPI接口發(fā)送命令，訪問(wèn)ENC424J600的寄存器和讀寫接收／發(fā)送緩沖區(qū)，從而完成相關(guān)操作［3］。系統(tǒng)復(fù)位通過(guò)SPI接口由相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)，其過(guò)程不影響通信接口電路中RESET引腳的狀態(tài)。此外，ENC424J600有2個(gè)中斷輸出，分別用于事件中斷觸發(fā)和網(wǎng)絡(luò)喚醒主機(jī)。

3．3 協(xié)議棧軟件實(shí)現(xiàn)

美國(guó)Microchip公司提供標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議棧模型，該模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。該協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊只在使用的時(shí)候才被添加其中。各層實(shí)現(xiàn)代碼駐留在一個(gè)獨(dú)立的源文件里。此外，該協(xié)議棧使用協(xié)同式多任務(wù)處理技術(shù)。

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(wù)［4］。在應(yīng)用層采用目前使用最為廣泛的 MODBUS TCP協(xié)議。通過(guò)該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以便進(jìn)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(gè)功能模塊，其中在主控程序循環(huán)體中輪流執(zhí)行的各個(gè)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(yīng)用層MODBUS協(xié)議的主從處理模塊。

ENC424J600的初始化流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

Modbus／TCP協(xié)議規(guī)定了一種大多數(shù)工業(yè)設(shè)備都能識(shí)別的數(shù)據(jù)包格式，通過(guò)該數(shù)據(jù)包格式能更加容易地與各種廠家的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，協(xié)議廣泛用于實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)計(jì)方案，在應(yīng)用層上使用Modbus協(xié)議和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互，從而可以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況的目的。筆者提出的方案已經(jīng)成功應(yīng)用于中石油長(zhǎng)慶油田分公司某站的閥室中。實(shí)踐表明，Modbus／TCP協(xié)議可靠性高，配置靈活，適于工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用。

圖5 Microchip公司的TCP／IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

圖6 ENC424J600的初始化流程圖

［1］陳志剛，張來(lái)斌，王朝暉 ．基于Modbus／TCP的管道泄漏遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)研究 ［J］．石油機(jī)械，2006，34（5）：40-43．

［2］GB／Z 19582．3-2004，Modbus協(xié)議在 TCP IP上的實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ［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(shí)現(xiàn) ［J］．媒礦安全，2011，42（4）：79-81