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

　　目前，構(gòu)成底層控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已獲得了廣泛的應(yīng)用。多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存而相互間無(wú)法兼容的問題一直困擾著工業(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)總線協(xié)議是Modicon公司于1978年提出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(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年被開發(fā)的Modbus協(xié)議的另一版本[2]，允許用戶通過(guò)以太網(wǎng)訪問設(shè)備。協(xié)議的開放性及簡(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)品廠商、終端用戶、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)總線與以太網(wǎng)相連。用戶經(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)程訪問和控制。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，因此在取得較高性價(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。