基于linux 的多功能網關的設計

　　摘要：深入研究了MODBUSRTU協(xié)議和MODBUSTCP協(xié)議,以UC7402-LX為開發(fā)平臺,設計了一款linux多功能網關,用于解決工業(yè)以太網環(huán)境下串口通信設備的“信息孤島”問題。
　　
　　1、引言
　　
　　隨著世界范圍內網絡和信息技術的日趨成熟，在工業(yè)通信和自動化應用中日益采用以太網和TCP/IP協(xié)議作為zui主要的通信接口和手段，向網絡化、標準化、開放性方向發(fā)展將是各種控制系統(tǒng)技術發(fā)展的主要潮流。然而，采用串口進行通信的現(xiàn)場設備仍然大量存在，且必將在相當長的一段時間內存在。因此，在串口設備和工業(yè)以太網之間就需要有一個橋梁，來消除工業(yè)現(xiàn)場中的“信息孤島”。
　　
　　Modbus/TCP是Modbus的延伸，它基于以太網和標準TCP/IP協(xié)議，直接應用第四層。它定義了一個結構簡單的、開放和廣泛應用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。ModbusTCP/IP基本上用簡單方式將Modbus幀嵌入TCP幀，是一種面向連接的傳送，它需要響應。在TCP幀中使用開放的Modbus提供了一種系統(tǒng)規(guī)模可伸縮的方案，由10個節(jié)點到100個網絡節(jié)點。ModbusTCP/IP在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛的應用，是目前工業(yè)以太網通信的事實上的標準。
　　
　　本文以MOXA的嵌入式工控機UC7402-LX為平臺，在深入研究MODBUS通信協(xié)議的基礎上，設計了一款多功能網關，既可以實現(xiàn)MODBUS/TCP與MODBUS/RTU的雙向轉換，同時也可以實現(xiàn)MODBUS/TCP與自定義串口通信協(xié)議的雙向轉換。
　　
　　2、硬件平臺簡介
　　
　　MOXAUC7402-LX采用InXscaleIXP-422266Mhz處理器，內嵌Apache網頁服務器支持PHP和XML，低功耗和無風扇的設計使其結構緊湊，非常適合在工業(yè)環(huán)境當中使用。MOXAUC7402-LX配備有2個10/100Mbps網口和8個可通過軟件設置的RS-232/485/422串口，并預裝有l(wèi)inux系統(tǒng)。
　　
　　3、MODBUS協(xié)議
　　
　　MODBUS是MODICNO公司zui先倡導的一種通信協(xié)議，經過許多公司的實際應用，逐漸被認可，成為一種應用于工業(yè)控制器上的標準通信協(xié)議，由于其功能比較完善而且協(xié)議開放，因此，被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場，在微機化測量設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信。它連接單個分散的測量控制設備，使之可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，具有分散控制、使用簡單、簡化系統(tǒng)結構、數(shù)據(jù)易于處理、節(jié)約硬件設備、易于安裝和維護等優(yōu)點。
　　
　　3.1MODBUSRTU
　　
　　MODBUS有兩種串行傳輸模式，即RTU模式和ASCII模式。RTU模式以十六進制傳送數(shù)據(jù)，每個8bit字節(jié)包含兩個4bit的十六進制字符。而ASCII模式是將一個字節(jié)分為兩個ASCII字符發(fā)送。因而在同樣的波特率下，RTU模式比ASCII模式具有更高的吞吐率。大多數(shù)工業(yè)控制器采用RTU模式。
　　
　　MODBUSRTU的報文幀和字節(jié)長度如表1所示，報文總是由起始位、設備地址、功能碼、數(shù)據(jù)域、校驗域和結束位組成。　　
　　3.2MODBUSTCP
　　
　　ModbusTCP只是在TCP/IP協(xié)議的基礎上進一步進行了modbus報文的封裝，其數(shù)據(jù)幀如圖1所示，包含了報文頭，功能代碼和數(shù)據(jù)三部分，其中MBAP報文頭各域及所占字節(jié)長度如表2所示。　　
　　4、多功能網關軟件設計
　　
　　4.1modbustcp與modbusrtu協(xié)議轉換
　　
　　由上可知，modbustcp與modbusrtu的協(xié)議轉換的核心即為數(shù)據(jù)幀的解封裝與封裝。Modbuszui初在串行鏈路上的實現(xiàn)（zui大RS48DU=256字節(jié)）限制了ModbusPDU的長度。因此，對串行鏈路通信來說，ModbusPDU=256-服務器地址（1字節(jié)）-CRC（2字節(jié)）＝253字節(jié)。從而：RS232/RS48DU=253字節(jié)+服務器地址（1字節(jié)）+CRC（2字節(jié)）=256字節(jié)。TCPModbusADU=253字節(jié)+MBAP（7字節(jié)）=260字節(jié)。如圖3所示為modbusRTU為master時的軟件流程圖，部分代碼摘錄如下：　　
　　4.2modbustcp與自定義串口協(xié)議轉換
　　
　　自定義串口協(xié)議與modbusrtu類似，但由于其協(xié)議為自定義的，導致ADU的格式并不固定，這就需要定制該函數(shù)。本文目前只針對單一設備的情況，因此采取將串口數(shù)據(jù)幀直接作為modbustcp的PDU，而MBAP采用固定格式處理，完成了對單一串口單臺設備連接的透明處理。
　　
　　5、結束語
　　
　　Frenic-Mini為富士的一款變頻器，支持簡易的modbus的協(xié)議。本設計利用Frenic-mini連接三相異步電機，采用modbusrtu與moxa7402-LX通信，成功地實現(xiàn)了遠程變頻器停啟及頻率讀取。如下圖4所示，為測試連接圖。