0 引言

    隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，Internet正在把全世界的計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡逐漸集成起來，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，而在此基礎上，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領域也正經(jīng)歷一場前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，形成新的控制網(wǎng)絡^[1]。以太網(wǎng)作為一種具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力的網(wǎng)絡成為了大多數(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡的選擇，而將控制系統(tǒng)中需要用到的各種儀器接入以太網(wǎng)進行集中隔離控制成為一項重要的課題。在水蓄冷控制系統(tǒng)中大多數(shù)底層的電子設備的接口為RS485接口，通信協(xié)議為Modbus RTU，本文設計了一種多路隔離的協(xié)議轉換器來解決這個問題，并可拓展為用手機通過WiFi來控制設備。

1 轉換器涉及通信協(xié)議介紹

1.1 Modbus RTU協(xié)議

    Modbus串行鏈路協(xié)議包括RTU模式和ASCII模式，本設計用到的為Modbus RTU模式。

    Modbus RTU的幀格式有兩種：一種是主機發(fā)起的查詢和命令從設備的格式，另一種是從設備收到主機命令后的應答格式。兩種格式在大多數(shù)情況下相同，如表1所示。

    從機地址：地址信息為1 B，表示要接收命令或發(fā)出應答響應的從設備的地址。從設備的地址的合法范圍是0~247（十進制），主機將要查詢或命令的從設備地址信息放入從機地址區(qū)內，選擇對應的從設備，而從設備將自己的地址信息放入從機地址區(qū)內來響應主機，告訴主機是誰作出響應。

    功能碼：功能碼為1 B，表示主機要求從設備進行何種操作，或者從設備應答的數(shù)據(jù)為何種操作下得到的數(shù)據(jù)。在控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到的讀取從設備狀態(tài)的功能碼有：0x01，0x02，0x03，0x04；用來設定從設備狀態(tài)的功能碼有0x05和0x06。Modbus協(xié)議的各常用功能碼對應功能如表2所示。

    數(shù)據(jù)域：數(shù)據(jù)信息的字節(jié)數(shù)根據(jù)功能碼而異，表示主機對從設備的狀態(tài)的設定，或者主機讀取的從設備寄存器數(shù)據(jù)。當主機設定線圈或者寄存器時，命令格式的數(shù)據(jù)域和圖1一樣，而如果要讀取狀態(tài)時，則數(shù)據(jù)域的第一段為狀態(tài)數(shù)據(jù)的個數(shù)。數(shù)據(jù)的格式為高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。

    校驗碼：校驗碼為2 B，RTU模式下使用CRC校驗碼，是由發(fā)送設備輸出的數(shù)據(jù)計算得到，在接收數(shù)據(jù)時先用同一方法再算一次CRC，若相同則接收，若不同則丟棄，以此來校驗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有誤。

1.2 Modbus over TCP協(xié)議

    基于Modbus over TCP協(xié)議的設備可以直接接入以太網(wǎng)，無需經(jīng)過協(xié)議轉換器，本系統(tǒng)中只有少數(shù)設備是基于該協(xié)議的，因此不做詳細介紹。

1.3 SLIP協(xié)議

    SLIP協(xié)議是一種在串行線路上傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議，如果使用SLIP協(xié)議來進行通信，則目標IP地址和源IP地址都必須已知^[2]。SLIP協(xié)議是鏈路層協(xié)議，只能和TCP/IP一起使用。由于本設計可以接入3個RS-485接口的設備，只有一個輸出數(shù)據(jù)的串口，3路數(shù)據(jù)可能同時發(fā)送，所以需要一種對數(shù)據(jù)打包的協(xié)議來實現(xiàn)，而設備只需接入以太網(wǎng)進行監(jiān)控，并且TCP/IP提供了很好的可靠性保證，所以SLIP協(xié)議能很好地滿足這個需求。

    SLIP協(xié)議定義了2個特殊的字符：END(0xC0)和ESC(0xDB)。需要打包的數(shù)據(jù)在開頭和結尾加入一個END字符，END字符標志著數(shù)據(jù)的開始和結束。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中包含END字符，就會造成錯誤的接收和結束，所以引入ESC字符來防止這種情況的發(fā)生。傳輸原始數(shù)據(jù)中存在的END字符轉換為ESC(0xDB)或ESC-END(0xDC)，而存在的ESC字符則轉換為ESC(0xDB)或ESC-ESC(0xDD)^[3]。SLIP協(xié)議對應的數(shù)據(jù)封裝過程如圖1所示。

2 設計實現(xiàn)

    協(xié)議轉換器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 ARM模塊

    本協(xié)議轉換器的主控模塊使用ARM，選擇了32 bit的ARM(Atmel SAM3X8E)，它擁有84 MHz的CPU時鐘頻率、96 KB的SRAM、512 KB的Flash和54個數(shù)字I/O口。4路UART硬件串口用來進行串行通信，其中3路串口用來連接協(xié)議轉換機箱的3路RS485串口，另外一個串口用來傳輸SLIP協(xié)議打包的數(shù)據(jù)。未使用的I/O口可以用來輸出控制閥門繼電器，并且可以顯示閥門開關的到位指示，圖3為軟件流程圖。

    運用ARM開發(fā)工具來進行設備數(shù)據(jù)的處理，先對串口的波特率、I/O口的輸入輸出模式等進行初始化，然后對數(shù)據(jù)處理過程中的各個函數(shù)進行定義。下面對幾個主要函數(shù)進行說明。

    先定義函數(shù)calcCRC16用于計算Modbus RTU的CRC16校驗碼。當主機對從設備發(fā)出請求時，請求數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸過來，經(jīng)過串口進入ARM進行解包處理，并識別出請求是發(fā)送給哪個從設備的，從而將相應數(shù)據(jù)傳送給對應設備的串口，這個過程由processNetworkData函數(shù)實現(xiàn)。

    當從設備響應主機發(fā)出的請求時，通過RS-485接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為Modbus RTU，消息幀需要通過SLIP協(xié)議進行打包，因此定義一個sendSlipPacket函數(shù)，然后定義函數(shù)來處理對應RS485端口接收到的數(shù)據(jù)。若判斷數(shù)據(jù)包還沒有接收完，則不進行處理，返回。若數(shù)據(jù)包處于接收錯誤狀態(tài)（超長，數(shù)據(jù)錯誤等），則清空接收緩沖區(qū)并返回。若收到一個完整的數(shù)據(jù)包，則SLIP編碼后由網(wǎng)絡端口(Serial)發(fā)送。

2.2 串口轉以太網(wǎng)模塊

    經(jīng)SLIP協(xié)議打包的Modbus RTU數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送后，并不能進入以太網(wǎng)進行傳輸，因此采用了深圳海凌科電子有限公司的HLK-RM04。RM04模塊是海凌科電子推出的嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線)模塊，內置TCP/IP協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線（WiFi）3個接口之間的轉換，傳統(tǒng)的串口設備在不需要更改任何設置的情況下，即可通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

    先通過網(wǎng)線將模塊與PC相連接，進入模塊配置界面來設定模塊的IP地址、網(wǎng)關、網(wǎng)絡協(xié)議等。將RM04的模式設為TCP Server，該模式下模塊監(jiān)聽指定端口，等待TCP Client連接，連接成功后，模塊將串口TCP數(shù)據(jù)發(fā)送給連接的各個TCP Client，如圖4所示。將ARM模塊的輸出串口與RM04模塊的串口相連，就可以把Modbus RTU數(shù)據(jù)轉換成TCP數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)傳輸。

2.3 從設備隔離部分

    RS485接口的設備大多工作在工業(yè)自動化領域，特別容易受到失控電壓和電流所帶來的負面影響，所以有必要在通信總線與邏輯控制器之間進行電氣隔離。另外，本設計是對多路數(shù)據(jù)進行轉換，為了防止各路信號的相互串擾和電氣噪聲的影響，隔離必不可少。

    本設計使用了ADI公司的ADM2587E芯片，它提供了RS485通信的完整隔離方案。ADM2587E內部集成了運用isopower技術的DC/DC隔離電源，在單個封裝內還集成了三通道隔離器、三態(tài)差分線路驅動器和差分輸入接收機，保護功能好，而且其體積小、功耗小，大大減少了占用電路板的面積。

2.4 上位機設計

    在本控制系統(tǒng)中，要在主機端控制底層的電子設備，需要開發(fā)對應的上位機軟件來進行控制和監(jiān)測。本上位機使用Delphi語言在XE7平臺下設計。

    基于Modbus協(xié)議的設備都屬于新建的父類TModbus，然后分為TModbusoverslip類和TModbusovertcp類，這些類屬于通信協(xié)議類。

    本設計的系統(tǒng)接口也需要建立類TTcpclient，這個類基于TWSocket類，TWSocket類的作用是將Windows Socket封裝起來，TTcpclient起到了TCP客戶端的作用，負責連接Server端，并進行數(shù)據(jù)處理。

    為了使得工作人員在主機端便利地控制各種設備，控制界面應美觀，因此建立了基于TPanel的類TDevGUI，系統(tǒng)界面中的圖形都基于此類。

3 協(xié)議轉換器的拓展功能

    隨著移動通信的不斷發(fā)展，手機成為了每個人必不可少的工具，所以考慮加入手機端對電子設備的控制，這樣工作人員就可以方便地查看設備的工作狀態(tài)，而且在本設計中使用的HLK-RM04模塊還支持串口轉WiFi功能，這就使得構想成為了可能。

    通過RM04模塊配置界面將模塊工作方式設定為WiFi AP模式，手機作為客戶端來連接WiFi，將ARM中未使用的2個I/O口拓展為串口，進而控制設備。

4 結束語

    本文對水蓄冷控制系統(tǒng)中無法使用主機通過以太網(wǎng)控制設備的問題進行了討論，提出了一種工業(yè)中實用的多路隔離的Modbus協(xié)議轉換器的設計方法。本協(xié)議轉換器已投入使用，穩(wěn)定性強，安全性好。

參考文獻

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