0 引言

    隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，Internet正在把全世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)逐漸集成起來(lái)，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域也正經(jīng)歷一場(chǎng)前所未有的變革，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，形成新的控制網(wǎng)絡(luò)^[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(luò)成為了大多數(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行集中隔離控制成為一項(xiàng)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(shè)備的接口為RS485接口，通信協(xié)議為Modbus RTU，本文設(shè)計(jì)了一種多路隔離的協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并可拓展為用手機(jī)通過(guò)WiFi來(lái)控制設(shè)備。

1 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)用到的為Modbus RTU模式。

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

    從機(jī)地址：地址信息為1 B，表示要接收命令或發(fā)出應(yīng)答響應(yīng)的從設(shè)備的地址。從設(shè)備的地址的合法范圍是0~247（十進(jìn)制），主機(jī)將要查詢或命令的從設(shè)備地址信息放入從機(jī)地址區(qū)內(nèi)，選擇對(duì)應(yīng)的從設(shè)備，而從設(shè)備將自己的地址信息放入從機(jī)地址區(qū)內(nèi)來(lái)響應(yīng)主機(jī)，告訴主機(jī)是誰(shuí)作出響應(yīng)。

    功能碼：功能碼為1 B，表示主機(jī)要求從設(shè)備進(jìn)行何種操作，或者從設(shè)備應(yīng)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(shè)備狀態(tài)的功能碼有：0x01，0x02，0x03，0x04；用來(lái)設(shè)定從設(shè)備狀態(tài)的功能碼有0x05和0x06。Modbus協(xié)議的各常用功能碼對(duì)應(yīng)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(jī)對(duì)從設(shè)備的狀態(tài)的設(shè)定，或者主機(jī)讀取的從設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)設(shè)定線圈或者寄存器時(shí)，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(shí)，則數(shù)據(jù)域的第一段為狀態(tài)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)的格式為高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。

    校驗(yàn)碼：校驗(yàn)碼為2 B，RTU模式下使用CRC校驗(yàn)碼，是由發(fā)送設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，在接收數(shù)據(jù)時(shí)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(lái)校驗(yàn)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(shè)備可以直接接入以太網(wǎng)，無(wú)需經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)中只有少數(shù)設(shè)備是基于該協(xié)議的，因此不做詳細(xì)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(lái)進(jìn)行通信，則目標(biāo)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(shè)計(jì)可以接入3個(gè)RS-485接口的設(shè)備，只有一個(gè)輸出數(shù)據(jù)的串口，3路數(shù)據(jù)可能同時(shí)發(fā)送，所以需要一種對(duì)數(shù)據(jù)打包的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，而設(shè)備只需接入以太網(wǎng)進(jìn)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(gè)需求。

    SLIP協(xié)議定義了2個(gè)特殊的字符：END(0xC0)和ESC(0xDB)。需要打包的數(shù)據(jù)在開(kāi)頭和結(jié)尾加入一個(gè)END字符，END字符標(biāo)志著數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中包含END字符，就會(huì)造成錯(cuò)誤的接收和結(jié)束，所以引入ESC字符來(lái)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(zhuǎn)換為ESC(0xDB)或ESC-END(0xDC)，而存在的ESC字符則轉(zhuǎn)換為ESC(0xDB)或ESC-ESC(0xDD)^[3]。SLIP協(xié)議對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)封裝過(guò)程如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    協(xié)議轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 ARM模塊

    本協(xié)議轉(zhuǎn)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(shí)鐘頻率、96 KB的SRAM、512 KB的Flash和54個(gè)數(shù)字I/O口。4路UART硬件串口用來(lái)進(jìn)行串行通信，其中3路串口用來(lái)連接協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)箱的3路RS485串口，另外一個(gè)串口用來(lái)傳輸SLIP協(xié)議打包的數(shù)據(jù)。未使用的I/O口可以用來(lái)輸出控制閥門繼電器，并且可以顯示閥門開(kāi)關(guān)的到位指示，圖3為軟件流程圖。

    運(yùn)用ARM開(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的處理，先對(duì)串口的波特率、I/O口的輸入輸出模式等進(jìn)行初始化，然后對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的各個(gè)函數(shù)進(jìn)行定義。下面對(duì)幾個(gè)主要函數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

    先定義函數(shù)calcCRC16用于計(jì)算Modbus RTU的CRC16校驗(yàn)碼。當(dāng)主機(jī)對(duì)從設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)，經(jīng)過(guò)串口進(jìn)入ARM進(jìn)行解包處理，并識(shí)別出請(qǐng)求是發(fā)送給哪個(gè)從設(shè)備的，從而將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送給對(duì)應(yīng)設(shè)備的串口，這個(gè)過(guò)程由processNetworkData函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

    當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)RS-485接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為Modbus RTU，消息幀需要通過(guò)SLIP協(xié)議進(jìn)行打包，因此定義一個(gè)sendSlipPacket函數(shù)，然后定義函數(shù)來(lái)處理對(duì)應(yīng)RS485端口接收到的數(shù)據(jù)。若判斷數(shù)據(jù)包還沒(méi)有接收完，則不進(jìn)行處理，返回。若數(shù)據(jù)包處于接收錯(cuò)誤狀態(tài)（超長(zhǎng)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等），則清空接收緩沖區(qū)并返回。若收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，則SLIP編碼后由網(wǎng)絡(luò)端口(Serial)發(fā)送。

2.2 串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊

    經(jīng)SLIP協(xié)議打包的Modbus RTU數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送后，并不能進(jìn)入以太網(wǎng)進(jìn)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(wú)線)模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線（WiFi）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何設(shè)置的情況下，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

    先通過(guò)網(wǎng)線將模塊與PC相連接，進(jìn)入模塊配置界面來(lái)設(shè)定模塊的IP地址、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。將RM04的模式設(shè)為TCP Server，該模式下模塊監(jiān)聽(tīng)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(gè)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(zhuǎn)換成TCP數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。

2.3 從設(shè)備隔離部分

    RS485接口的設(shè)備大多工作在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，特別容易受到失控電壓和電流所帶來(lái)的負(fù)面影響，所以有必要在通信總線與邏輯控制器之間進(jìn)行電氣隔離。另外，本設(shè)計(jì)是對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了防止各路信號(hào)的相互串?dāng)_和電氣噪聲的影響，隔離必不可少。

    本設(shè)計(jì)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(nèi)部集成了運(yùn)用isopower技術(shù)的DC/DC隔離電源，在單個(gè)封裝內(nèi)還集成了三通道隔離器、三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器和差分輸入接收機(jī)，保護(hù)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(jī)設(shè)計(jì)

    在本控制系統(tǒng)中，要在主機(jī)端控制底層的電子設(shè)備，需要開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。本上位機(jī)使用Delphi語(yǔ)言在XE7平臺(tái)下設(shè)計(jì)。

    基于Modbus協(xié)議的設(shè)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口也需要建立類TTcpclient，這個(gè)類基于TWSocket類，TWSocket類的作用是將Windows Socket封裝起來(lái)，TTcpclient起到了TCP客戶端的作用，負(fù)責(zé)連接Server端，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    為了使得工作人員在主機(jī)端便利地控制各種設(shè)備，控制界面應(yīng)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(zhuǎn)換器的拓展功能

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

    通過(guò)RM04模塊配置界面將模塊工作方式設(shè)定為WiFi AP模式，手機(jī)作為客戶端來(lái)連接WiFi，將ARM中未使用的2個(gè)I/O口拓展為串口，進(jìn)而控制設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文對(duì)水蓄冷控制系統(tǒng)中無(wú)法使用主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)控制設(shè)備的問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了一種工業(yè)中實(shí)用的多路隔離的Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法。本協(xié)議轉(zhuǎn)換器已投入使用，穩(wěn)定性強(qiáng)，安全性好。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈東耀，汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002(5)：12-14.

[2] SHANMUGAM R，PADMINI R，NIVEDITA S.TCP/IP詳解[M].尹浩瓊，李劍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3] 吳明光，崔家林，陳冠雄.串行網(wǎng)際協(xié)議在記錄儀通信中的應(yīng)用[J].科技通報(bào)，2005，21(5)：612-614.

[4] 沈建華.ARM處理器與嵌入式系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(11)：5-7.

[5] 俞野秋，陳堅(jiān).Modbus和Modbus-TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換研究[J].儀表技術(shù)，2013(1)：28-31.