嵌入式Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著企業(yè)信息化進(jìn)程的深入發(fā)展，實(shí)現(xiàn)企業(yè)上層的管理網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接顯得越來(lái)越重要?；谫|(zhì)量分析的生產(chǎn)管理、與安全相關(guān)的測(cè)試監(jiān)控都要求現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行處理并能及時(shí)被上級(jí)監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)與控制，最終納入到企業(yè)信息管理系統(tǒng)統(tǒng)一的框架中。
　 目前，構(gòu)成底層控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已獲得了廣泛的應(yīng)用。多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)并存而相互間無(wú)法兼容的問(wèn)題一直困擾著工業(yè)界。將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。如何使這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
1 Modbus協(xié)議及網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議是Modicon公司于1978年提出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議[1]。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行通信。該協(xié)議內(nèi)容可以免費(fèi)獲得，因此Modbus的串行鏈路版本在市場(chǎng)上長(zhǎng)期占有主導(dǎo)地位。大量的產(chǎn)品已直接運(yùn)行或兼容Modbus串行鏈路版本。
　 Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是1999年被開(kāi)發(fā)的Modbus協(xié)議的另一版本[2]，允許用戶(hù)通過(guò)以太網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備。協(xié)議的開(kāi)放性及簡(jiǎn)單易學(xué)，使它比很多受商業(yè)利益驅(qū)使的協(xié)議取得更快的發(fā)展，受到眾多第三方產(chǎn)品廠(chǎng)商、終端用戶(hù)、系統(tǒng)集成商的廣泛支持[3]。
　 本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議將傳統(tǒng)的串行鏈路通信的Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)相連。用戶(hù)經(jīng)由以太網(wǎng)對(duì)Modbus設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)Modbus設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和控制。同時(shí)網(wǎng)關(guān)還提供Web服務(wù)功能，允許通過(guò)Web瀏覽器直接配置網(wǎng)關(guān)的IP地址等信息并保存到網(wǎng)關(guān)的非易失性存儲(chǔ)器中。圖1是嵌入式Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)的連接示意圖。

2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)
　 網(wǎng)關(guān)選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200高性能32位工業(yè)級(jí)嵌入式微處理器作為網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)的核心。網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)將移植μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用層程序。網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案將采用開(kāi)放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧，因此在取得較高性?xún)r(jià)比的基礎(chǔ)上可取得最佳的擴(kuò)展性。
3 硬件設(shè)計(jì)
　 AT91RM9200是著名半導(dǎo)體廠(chǎng)商ATMEL力推的一款基于ARM920T內(nèi)核的工業(yè)級(jí)嵌入式微處理器，為最大功能、最低功耗、最低成本的嵌入式系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的解決方案[4]，它除具備ARM微處理器傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)以外，其性能、可靠性和擴(kuò)展性都大大超過(guò)普通的商業(yè)級(jí)ARM7核心的嵌入式微處理器。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中使用越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來(lái)愈重要[5]。網(wǎng)關(guān)采用了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，除了與CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)外，其他絕大部分代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)和移植性好等特點(diǎn)[6]。
    選擇合適的ARM處理器的開(kāi)發(fā)工具可以加快嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度、節(jié)約成本、提高效率。CodeWarrior for ARM Developer Suite V1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的新一代ARM集成開(kāi)發(fā)工具，網(wǎng)關(guān)的所有程序代碼均在此集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯、鏈接、調(diào)試。
4.1 μC/OS-II初始化程序設(shè)計(jì)
    μC/OS-II操作系統(tǒng)運(yùn)行前需要對(duì)硬件系統(tǒng)的片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器、系統(tǒng)堆棧等進(jìn)行初始化。這些工作與硬件系統(tǒng)相關(guān)，難以用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，需要用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在執(zhí)行完初始化程序之后就將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為啟動(dòng)μC/OS-II準(zhǔn)備好正確的環(huán)境，最后通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行μC/OS-II主函數(shù)main中的第一條C語(yǔ)句[7]。
    初始化程序的設(shè)計(jì)不屬于μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植,但是其質(zhì)量的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)程序的運(yùn)行。初始化程序的執(zhí)行步驟如下：(1)定義程序的入口點(diǎn);(2)設(shè)置異常向量; (3)執(zhí)行硬件初始化;(4)在CP15控制寄存器中，將AT91RM9200配置成小端模式; (5)初始化堆棧指針寄存器SP; (6)開(kāi)放系統(tǒng)中斷;(7)初始化C變量;(8)運(yùn)行μC/OS-II操作系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
4.2 μC/OS-II移植
    μC/OS-II在最初設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮到了系統(tǒng)的可移植性。移植的絕大部分工作集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上。這部分代碼主要是進(jìn)行處理器狀態(tài)的保存、切換和恢復(fù)，主要用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。網(wǎng)關(guān)采用μC/OS-II V2.52版本的內(nèi)核,其全部源代碼量大約是6 000～7 000行，共16個(gè)文件。移植到ARM處理器上，主要修改3個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：os_cpu.h、os_cpu_c.c和os_cpu_a.s,代碼量大約是500行，另外還要添加μC/OS-II系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的代碼。
    時(shí)鐘節(jié)拍初始化代碼需要根據(jù)具體的硬件系統(tǒng)來(lái)編寫(xiě)。網(wǎng)關(guān)選用分頻后的系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘做為定時(shí)器的輸入,通過(guò)對(duì)AIC高級(jí)中斷控制器進(jìn)行設(shè)置，μC/OS-II利用AT91RM9200片內(nèi)定時(shí)器1提供的周期性系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷。
4.3 TCP/IP協(xié)議棧移植
    考慮到商業(yè)TCP/IP協(xié)議棧價(jià)格昂貴,有的僅提供庫(kù)函數(shù)調(diào)用并不開(kāi)放源代碼，所以本文在對(duì)幾種開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行比較后選用2006年3月發(fā)布的穩(wěn)定版本LwIP 1.1.1協(xié)議棧[9]移植到μC/OS-II操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)上。
    LwIP對(duì)μC/OS-II的支持也非常好，文檔管理和軟件版本升級(jí)比較完善。LwIP的移植主要涉及兩部分：操作系統(tǒng)模擬層的修改和以太網(wǎng)硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。
　 對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)中進(jìn)程切換的代價(jià)相當(dāng)昂貴。LwIP沒(méi)有直接使用屬于操作系統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是用操作系統(tǒng)模擬層來(lái)代替這些函數(shù)的使用。所有TCP/IP協(xié)議都在μC/OS-II的一個(gè)任務(wù)tcpip_thread中運(yùn)行。網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用層程序建立單獨(dú)的T_httpServer任務(wù)(進(jìn)程)和T_modbusServer任務(wù)(進(jìn)程)，通過(guò)μC/OS-II的郵箱、消息隊(duì)列等與lwIP任務(wù)（進(jìn)程）進(jìn)行通信。
　 操作系統(tǒng)模擬層使用統(tǒng)一的接口來(lái)提供定時(shí)器、進(jìn)程同步及消息傳遞機(jī)制等此類(lèi)系統(tǒng)服務(wù)。因此移植LwIP需針對(duì)μC/OS-II操作系統(tǒng)修改模擬層中的與處理器和編譯工具相關(guān)的include文件、與操作系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù),主要涉及LwIP的sys_arch.c和sys_arch.h文件。
　 以太網(wǎng)硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)包括LwIP接口函數(shù)設(shè)計(jì)和硬件相關(guān)函數(shù)設(shè)計(jì)。AT91RM9200微處理器集成了以太網(wǎng)媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層EMAC控制器。EMAC控制器通過(guò)RMII接口訪(fǎng)問(wèn)物理層芯片DM9161，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)EMAC層的接收、發(fā)送、初始化以及中斷處理功能。LwIP提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的參考模板，即LwIP的源代碼目錄srcnetif下找到ethernetif.c文件，根據(jù)微處理器的硬件修改其中的6個(gè)函數(shù)即可。
4.4 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)
　 在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和LwIP的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用層程序的設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)嵌入式Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)的兩個(gè)主要功能：通過(guò)網(wǎng)關(guān)的Web服務(wù)功能對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置；通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議將Modbus串行通信鏈路與以太網(wǎng)相連。
4.4.1 Web服務(wù)功能設(shè)計(jì)
　 HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式是一種請(qǐng)求/響應(yīng)行為。嵌入式Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)將充當(dāng)Web服務(wù)器?？蛻?hù)機(jī)是任意一臺(tái)與網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)接口相連的計(jì)算機(jī)。
　 (1)網(wǎng)關(guān)復(fù)位啟動(dòng)后，μC/OS-II運(yùn)行T_httpServer任務(wù)(啟動(dòng)Web服務(wù))?？蛻?hù)機(jī)可以通過(guò)瀏覽器向網(wǎng)關(guān)發(fā)出HTTP的GET方法的請(qǐng)求。
    (2)網(wǎng)關(guān)收到該請(qǐng)求后對(duì)請(qǐng)求消息中的方法字段進(jìn)行判斷。如果是GET方法，則表示是第一次請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)執(zhí)行__Handler_HTTPGet( )函數(shù)，將固化在片外Flash中的HTTP表單頁(yè)面和網(wǎng)關(guān)的配置信息返回給客戶(hù)機(jī)。
    (3)用戶(hù)填寫(xiě)網(wǎng)關(guān)發(fā)送的表單頁(yè)面，輸入新的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址，然后點(diǎn)擊提交按鈕，客戶(hù)機(jī)向網(wǎng)關(guān)發(fā)出POST方法的請(qǐng)求。其中對(duì)用戶(hù)填寫(xiě)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的工作是通過(guò)嵌在表單頁(yè)面中的javascript程序?qū)崿F(xiàn)的，減輕了網(wǎng)關(guān)的負(fù)擔(dān)。
　 (4)網(wǎng)關(guān)收到客戶(hù)機(jī)POST方法的請(qǐng)求后擦除片外
Flash中原有的配置信息,然后燒寫(xiě)新的信息，從而保證網(wǎng)關(guān)的配置在復(fù)位后不會(huì)丟失，配置信息在網(wǎng)關(guān)重啟后生效。
4.4.2 Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)
　 Modbus/TCP嵌入式網(wǎng)關(guān)復(fù)位啟動(dòng)之后會(huì)進(jìn)行一系列的初始化操作，最后啟動(dòng)T_modbusServer任務(wù)，該任務(wù)實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP幀與串行鏈路中的Modbus RTU幀之間的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)需要對(duì)串行鏈路中的服務(wù)器進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，首先會(huì)向Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)的502端口發(fā)起連接請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽(tīng)到這一請(qǐng)求后會(huì)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，喚醒處于等待狀態(tài)的T_modbusServer任務(wù)，并與之建立TCP連接，Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)就會(huì)發(fā)送一個(gè)Modbus/TCP請(qǐng)求幀并等待網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)信息。網(wǎng)關(guān)在收到Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)的請(qǐng)求信息后會(huì)對(duì)幀進(jìn)行分析處理，最后生成一個(gè)Modbus RTU格式的查詢(xún)幀并發(fā)送到串行鏈路中去。之后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)串行鏈路，若收到串行鏈路上的RTU響應(yīng)幀，則將該幀封裝成Modbus/TCP應(yīng)答幀，發(fā)送給以太網(wǎng)的Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)，并斷開(kāi)連接。
5 測(cè)試
　 網(wǎng)關(guān)采用了第三方的Modbus客戶(hù)機(jī)測(cè)試工具M(jìn)odbusPoll V4.2和服務(wù)器測(cè)試工具M(jìn)odbusSlave V4.1進(jìn)行測(cè)試。在一臺(tái)PC機(jī)上運(yùn)行多個(gè)ModbusSlave程序模擬不同的設(shè)備和設(shè)備功能狀態(tài)，該P(yáng)C機(jī)通過(guò)串行通信鏈路與網(wǎng)關(guān)相連。另一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行ModbusPoll程序，模擬Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)相連，并且運(yùn)行Commview軟件捕捉以太網(wǎng)通信的全過(guò)程并計(jì)算響應(yīng)時(shí)間。測(cè)試時(shí)由Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)通過(guò)網(wǎng)關(guān)循環(huán)查詢(xún)串行通信鏈路中的三臺(tái)Modbus服務(wù)器, 串行通信的波特率設(shè)置為9 600 b/s，無(wú)校驗(yàn)位，停止位為1。網(wǎng)關(guān)連續(xù)工作48 h未發(fā)生查詢(xún)失敗。根據(jù)Commview捕捉到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的間隔時(shí)間可以計(jì)算出Modbus/TCP客戶(hù)機(jī)一次查詢(xún)響應(yīng)的實(shí)際時(shí)間約為110 ms。網(wǎng)關(guān)各部分均正常，主控芯片僅微微發(fā)熱。網(wǎng)關(guān)直流5 V電源,輸入電流為55 mA，總功率僅為0.275 W。
　 隨著企業(yè)管理信息化的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的工廠(chǎng)和企業(yè)擁有了自己的信息管理網(wǎng)絡(luò)。有用戶(hù)提出將自己的控制系統(tǒng)(如中央空調(diào)系統(tǒng))的管理納入到企業(yè)信息管理系統(tǒng)統(tǒng)一的框架中去。利用嵌入式Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)可以在保留現(xiàn)有的控制設(shè)備和布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的情況下，使用戶(hù)通過(guò)企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，既滿(mǎn)足了用戶(hù)升級(jí)的愿望又減少了成本的支出。