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嵌入式Modbus TCP通讯模块设计

--嵌入式Modbus TCP通讯模块设计

供稿:南大傲拓科技江苏股份有限公司 2012/5/11 16:46:30

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  • 关键词: PLC Modbus RTU
  • 摘要:本文迎合PLC应用网络化发展的需求,提出一种基于嵌入式的Modbus RTU转Modbus TCP协议转化的通讯模块设计方法,该设计能简单、低成本、便捷、可靠的把现有支持Modbus RTU协议的PLC应用于以太网互联。


嵌入式Modbus TCP通讯模块设计

Embedded Modbus TCP communication module design

李广勇 Guangyong LI

(南大傲拓科技有限公司,江苏 南京,210012)

(Nanda Auto Technology Co.Ltd,JiangSu,Nanjing,210012)

摘要:本文迎合PLC应用网络化发展的需求,提出一种基于嵌入式的Modbus RTU转Modbus TCP协议转化的通讯模块设计方法,该设计能简单、低成本、便捷、可靠的把现有支持Modbus RTU协议的PLC应用于以太网互联。

关键字:PLC;Modbus RTU;Modbus TCP

中图分类号:TP23  文献标识码:A          文章编号:

一、引言

Modbus应用层协议由美国Modicon公司(现为施耐德电气旗下品牌)于1979年开发的,用于实现其PLC产品与上位机的通信。由于其简单易用,得到了广大工业自动化仪器仪表企业的采纳与支持,实际上已成为了业界标准。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等。这些年来,随着PLC的不断发展,网络通讯功能要求越来越高。一方面,网络化,集成化的要求,使得PLC需要越来越多的接入到计算机监控网络中,作为网络的一个节点。另一方面,智能仪表应用越来越广,因此要求PLC具备较多的现场总线接口,能直接与智能仪表进行通讯。鉴于此,1999年施奈德电气发布了Modbus TCP协议,使得以太网上的Modbus设备可以通过502端口进行通信①。

二、模块总体设计

本模块采用基于Cortex-M3内核的新一代ARM LPC1758为CPU主控芯片,工作频率为100 MHz。它内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM),丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。同时集成多个标准和先进的通信接口:I2C、SPI、I2S、SDIO、USART、USB Host/Device/OTG、CAN、Ethernet MIC等。本模块硬件结构如图1所示:

图1

CPU通过PHY向以太网总线传输Modbus TCP数据,向RS232或RS485总线传输Modbus RTU数据。考虑工业现场应用,串口接口和LAN接口均需要隔离,才能保证电气上,可靠稳定。支持ISP下载,便于模块生产。JTAG只有在研发调试时用到。拨码配置主要配置工作模式,IP地址,波特率。

三、硬件设计

CPU LPC1758芯片自身并不集成以太网PHY,而提供了使用RMII(简化的媒体独立接口)协议和片上MIIM(媒体独立接口管理)串行总线、还有MDIO(管理数据输入/输出)来实现与片外以太网PHY之间的连接。本设计采用DP83848C物理层PHY芯片,它是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10/100 Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口),使设计更简单灵活;同时,支持10BASE~T和100BASE-TX以太网外设,对其他标准以太网解决方案有良好的兼容性和通用性②。

图2为LPC1758和DP83848C之间的接口电路,图3为DP83848C驱动输出隔离电路。

图2 LPC1758和DP83848C之间的接口电路

图3 DP83848C驱动输出隔离电路

PCB布局方面,精度为1%的电阻和100 nF的去耦电容应靠近PHY器件放置,并通过最短的路径到电源。两对差分信号(TD和RD)应平行走线,避免短截,且尽量保证长度匹配,这样可以避免共模噪声和EMI辐射。理想情况下,信号线上不应有交叉或者通孔,同时,差分线应尽可能走在一面。

四、软件设计

本模块设计结构,从功能上可以设计成两种工作模式:Modbus TCP从站模式,Modbus TCP主站模式。Modbus TCP从站模式,是把以太网总线Modbus TCP请求转化成串口总线Modbus RTU请求,也就是以太网设备从PLC读出数据;Modbus TCP主站模式,是把串口总线Modbus RTU请求转化成以太网Modbus TCP请求,也就是PLC从以太网设备读入数据。下面以Modbus TCP从站模式为例。

4.1 模块配置

表1 拨码功能配置表模块配置主要是通过8位拨码开关实现,通过这拨码开关配置模块的工作模式,以太网IP地址,串口RTU地址,波特率。如表1所示:

8位拨码配置

功能说明

0 xxxxx xxx

1 xxxxx xxx

Modbus TCP从站模式

Modbus TCP主站模式

x 00000 xxx

   ~

x 11111 xxx

IP:192.168.1.0~192.168.1.31,同时也是串口RTU地址

x xxxxx 000

   ~

x xxxxx 111

波特率设置:2400,4800,~,115200,230400 bps

4.2 以太网驱动开发

驱动开发包括两部份:芯片物理层驱动(MAC,PHY)和TCP/IP协议层驱动。芯片物理层驱动主要是对LPC1758的以太网控制器和PHY芯片的初始化和控制输入输出的函数化打包,以便供TCP/IP协议层驱动调用。TCP/IP协议层驱动开发需要参考TCP/IP标准协议,下图4比较清晰明了的介绍TCP/IP协议状态变化图③。

图4 TCP的状态变迁图

   对于从站模式(服务器模式),每一个TCP请求连接对应一组状态图,把这些状态归纳入一个结构体,然后再创建结构体链表,系统程序通过维护监测链表,可以实现多客户端同时请求通讯。

4.3 Modbus TCP和Modbus RTU协议开发

参考Modbus TCP和Modbus RTU协议标准,不难实现PLC与本模块的Modbus RTU以及本模块与外部以太网设备的Modbus TCP数据通讯。然后在本模块程序内部完成数据包的Modbus TCP和Modbus RTU之间数据转换,采用透明传输方式,即把从一个端口接收出来的数据转换后立即从另一个端口输出去。Modbus TCP相比Modbus RTU报文格式,多了六个字节的前缀,少了后面的CRC校验,它是采用TCP/IP 和链路层(以太网)校验和机制来校验分组交换的准确性。

4.4 模块状态监测

模块状态监测包括:系统运行状态,Modbus RTU通讯状态,Modbus TCP连接状态、通讯状态,以及通讯异常报警。

4.5 通讯测试

实验平台采用NA200 PLC挂载本模块,然后通过网络交叉线和PC电脑相连,利用网上免费网络调试工具SocketTool2进行通讯测试。先在SocketTool2建立客户端,然后连接,发送测试通讯数据十六进制000000000006500600C90055,查看是否有数据返回。

五、结束语

本文设计的Modbus TCP通讯模块,能和现有PLC稳定连接,从成本、性能上都将是个比较好的选择。前文介绍的是以从站模式为例,对于主站模式,可以PLC利用串口对通讯模块设置通讯请求的从站信息(IP地址等)。在不改变硬件的基础之上,通过软件升级,可以把模块功能更加完善。比如:满足通讯模式一主多从、一从多主、以及自定义通讯的现场应用需求。同时本文提出的思路也可以作为一种通用方案,推广到类似的产品开发中。

参考文献

窗体顶端

(1) 王啸东PLC网络化控制系统设计.河南科技 2011年07期

窗体底端

(2) 宋鑫,郭勇,谢兴红 RMII模式以太网PHY芯片DP83848C的应用.单片机与嵌入式系统应用,2010年第8期

(3) W.Richard Stevens TCP/IP详解卷1:协议.机械工业出版社 (2000-04出版)

   李广勇,1982年9月22日出生,30岁,男,汉族,硕士学位,中级工程师,研究方向嵌入式系统及应用开发,目前工作于南京南大傲拓科技有限公司,具体地址:南京市江宁区清水亭西路199号一号楼。邮政编码:210012,联系电话:13675186185


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