基于ARM-Linux的Modbus串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí)，各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備也在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化，以便共享網(wǎng)絡(luò)資源。所以，在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化的今天，利用串口服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信具有十分重要的意義。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來(lái)控制管理設(shè)備，無(wú)需投資大量的人力、物力即可完成對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備的管理、更換或者升級(jí)。

　　串口服務(wù)器的功能

　　串口服務(wù)器是一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它設(shè)有兩類通信端口：一類是標(biāo)準(zhǔn)的RS232/422/485格式的串行端口，遠(yuǎn)程的RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）監(jiān)控模塊通過串行控制總線接入串口服務(wù)器的此類端口；另一類是以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線將串口服務(wù)器接入局域網(wǎng)的交換機(jī)等設(shè)備中。

　　串口服務(wù)器在工作中可自動(dòng)將RS232/422/485格式的串行數(shù)據(jù)與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行透明轉(zhuǎn)換。一方面，串口服務(wù)器收到來(lái)自某一串行端口的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為TCP/IP格式的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳；另一方面，串口服務(wù)器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數(shù)據(jù)協(xié)議包，通過解包來(lái)解析出有效的控制信息，通過監(jiān)控機(jī)指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠(yuǎn)程RTU.

　　硬件平臺(tái)

　　此系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構(gòu)建的Multibus-CPU開發(fā)板。MultiBus-CPU系統(tǒng)是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信，使系統(tǒng)設(shè)備可以無(wú)縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，以及可靠、實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)輸出等功能。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議，同時(shí)，系統(tǒng)還支持多種總線通信，包括RS485總線，工業(yè)以太網(wǎng)（UDP協(xié)議），串口RS232通信接口和USB通信接口。

圖1:CPU模塊原理圖。

　　軟件平臺(tái)

　　本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢(shì)：可擴(kuò)展的完整操作系統(tǒng)提供了可靠的多任務(wù)環(huán)境，基于開源模型（GPL），利用多種UNIX和開源應(yīng)用程序以及用于基于ARM技術(shù)的多種設(shè)計(jì)（包括網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線領(lǐng)域）。

　　Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通信語(yǔ)言。利用這個(gè)協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間進(jìn)行通信。

　　主流的Modbus協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議（Modbus RTU協(xié)議）和Modbus TCP協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議定義了報(bào)文幀的每一字節(jié)，定義了怎樣將數(shù)據(jù)打包成報(bào)文幀以及如何解碼。報(bào)文幀包括一個(gè)字節(jié)的地址碼，一個(gè)字節(jié)的功能碼，數(shù)據(jù)和兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼。其中，校驗(yàn)碼采用CRC校驗(yàn)。

　　Modbus TCP協(xié)議是在標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的。它是將Modbus協(xié)議嵌入到底層TCP/IP協(xié)議中構(gòu)成的，這樣就在TCP/IP的以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了客戶機(jī)-服務(wù)器架構(gòu)的Modbus報(bào)文通信。二者的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)Modbus與Modbus_TCP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)對(duì)比。

　　分析Modbus TCP協(xié)議和RTU協(xié)議，可以非常清楚地看出兩者的主要區(qū)別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀里已不再有CRC校驗(yàn)，而這部分校驗(yàn)的任務(wù)是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來(lái)完成的。另外，Modbus TCP較標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議還加入了一個(gè)MBAP報(bào)文頭，由它來(lái)解釋說明Modbus的參數(shù)和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換為RTU協(xié)議，那么，只需要把TCP協(xié)議MBAP頭中的“單元標(biāo)識(shí)域”和后續(xù)字節(jié)組成一幀，再加上此幀的CRC校驗(yàn)就可以組成RTU協(xié)議，而在串行鏈路上進(jìn)行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP協(xié)議的話，那么要根據(jù)實(shí)際情況組建一個(gè)MBAP頭。

　　獲取配置信息GetConfigValue功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在設(shè)計(jì)串口服務(wù)器之前，首先要配置相應(yīng)的設(shè)備號(hào)并給設(shè)備配置相應(yīng)的串口服務(wù)器IP地址、TCP通信端口號(hào)和串口參數(shù)等，這些配置信息放在一個(gè)txt文件當(dāng)中。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)Configinfo.txt文件，當(dāng)我們需要向一個(gè)設(shè)備傳遞信息時(shí)，需要首先從文件中讀取配置信息，對(duì)相應(yīng)的串口及工控板的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作。這時(shí)，我們?cè)谄渲杏玫搅藘蓚€(gè)自定義函數(shù)：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務(wù)器，它調(diào)用GetCFGValue函數(shù)，在Configinfo.txt中尋找相應(yīng)的配置信息項(xiàng)，并截取相應(yīng)的配置信息。它們的程序框圖如圖3（a）和3（b）所示。

圖3:GetConfigValue函數(shù)程序流程圖（a）和GetCFGValue函數(shù)程序流程圖（b）。

　　串口操作函數(shù)封裝的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)的操作時(shí)，首先要打開串口并配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和工作模式等。這些關(guān)于串口的操作都封裝在一個(gè)文件當(dāng)中，以使結(jié)構(gòu)清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數(shù)。所進(jìn)行的包括以下幾種操作。

　　串口的打開和關(guān)閉：打開串口時(shí)，需要首先判斷串口的類型，然后以一定的方式打開串口并保存原來(lái)的串口配置信息，最后對(duì)串口進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置。關(guān)閉串口時(shí)，需要將原來(lái)保存的終端信息恢復(fù)，使串口回到打開前的狀態(tài)。

　　對(duì)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫：串口的讀寫操作是串口服務(wù)器最基本的功能，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送過來(lái)時(shí)，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會(huì)把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入所指的文件，讀串口操作會(huì)把串口送來(lái)的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。分別用writecomport和readcomport來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置：需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。調(diào)用定義的封裝函數(shù)，來(lái)完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數(shù)的配置來(lái)控制。

　　Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)

　　這一步是串口服務(wù)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其轉(zhuǎn)換重點(diǎn)在于CRC校驗(yàn)和MBPA報(bào)頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數(shù)來(lái)完成Modbus RTU到TCP格式的轉(zhuǎn)換，定義tcp2mod函數(shù)來(lái)完成Modbus TCP到RTU格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。例如，來(lái)自Modbus主站的TCP協(xié)議請(qǐng)求，經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成Modbus RTU格式，經(jīng)485口發(fā)送給從站，并將從站相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)485接口送入串口服務(wù)器，轉(zhuǎn)換成Modbus TCP格式信息返回主站（圖4）。

圖4:Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換示例。

　　程序流程如圖5（a）和5（b）所示。

圖5:Modbus RTU 到TCP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程（a）和Modbus TCP 到RTU格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程（b）。

　　由此可見，TCP格式字節(jié)數(shù)=RTU格式字節(jié)數(shù)-2+6，獲取的可用數(shù)據(jù)均相同，因此其程序?qū)崿F(xiàn)就不再是難題了。

　　CRC校驗(yàn)功能

　　CRC即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，它是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。RTU方式時(shí)，CRC校驗(yàn)傳送的全部數(shù)據(jù)，它忽略信息中單個(gè)字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)方法。CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的匹配，將得到的數(shù)據(jù)如何正確的套用到CRC校驗(yàn)當(dāng)中是其中的關(guān)鍵。

　　CRC校驗(yàn)有既定的規(guī)則，其程序?qū)崿F(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只需要以下幾步：CRC字節(jié)的初始化；將數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行CRC計(jì)算；返回計(jì)算出的CRC值。

　　串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　此部分介紹整個(gè)程序的main（）函數(shù)，它會(huì)調(diào)用前文介紹的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口服務(wù)器功能，故其頭文件中要包含前文所述的各函數(shù)文件。程序流程如圖6所示。

　　main（）函數(shù)應(yīng)用Linux C函數(shù)編程，其中應(yīng)尤其注意socket的應(yīng)用，socket要先建立再bind（）；在信號(hào)量中的參數(shù)要配置正確；進(jìn)程的管理方面，要注意進(jìn)程退出時(shí)先退出子進(jìn)程，在所有進(jìn)程都完成之后再關(guān)閉socket.

圖6：串口服務(wù)器main（）函數(shù)程序流程圖。

　　問題及解決

　　串口服務(wù)器測(cè)試過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)TCP到RTU發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，不能正確地將TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RTU數(shù)據(jù)。

　　原因在于，測(cè)試過程中，Windows下的PC終端向Linux工控板發(fā)送數(shù)據(jù)，但是Windows的實(shí)時(shí)性并不很好，不能及時(shí)地發(fā)送數(shù)據(jù)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一次發(fā)送兩包數(shù)據(jù)給串口服務(wù)器的現(xiàn)象；另外，工控板中Linux下的TCP/IP協(xié)議剪裁封裝不是很完善，導(dǎo)致其接收處理數(shù)據(jù)的能力比較差。

　　當(dāng)多幀數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)時(shí)，串口服務(wù)器未能正確將后一幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而把一幀數(shù)據(jù)分割到兩幀，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。這就是發(fā)生上述數(shù)據(jù)完全錯(cuò)誤的原因。這時(shí)，需要給串口服務(wù)器添加數(shù)據(jù)的分幀處理功能，在接收到數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷數(shù)據(jù)幀是否是有效數(shù)據(jù)幀，確保每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都能是完整的一幀，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)位，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的完全錯(cuò)誤。

　　本文小結(jié)

　　本文的目標(biāo)是在以AT91RM9200芯片構(gòu)建的Multibus-CPU開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)串口服務(wù)器功能。該串口服務(wù)器應(yīng)用Modbus相關(guān)協(xié)議，將傳統(tǒng)的以RS485/232串口通信設(shè)備接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和設(shè)備之間的信息交互。本串口服務(wù)器程序已經(jīng)能夠在開發(fā)板上正確運(yùn)行。