基于Modbus/TCP的低成本網關設計

楊 世 江

(上海電科電器科技有限公司, 上海 200063)

基于Modbus/TCP的低成本網關設計

楊 世 江

(上海電科電器科技有限公司, 上海 200063)

現(xiàn)有低壓電器產品運用的通信接口多為Modbus接口,限制了網關產品在智能電網中的廣泛應用。提出了一種基于Modbus /TCP的網關設計方案。測試結果表明,設計的網關能完成相應轉換功能,減少了對協(xié)議轉換處理芯片的性能要求,降低了整個系統(tǒng)的設計成本及軟件設計難度。

智能電網; Modbus/TCP協(xié)議; 網關; 硬件設計

0 引 言

隨著經濟的不斷發(fā)展及人們生活水平的不斷提高,傳統(tǒng)電網已經不能滿足電力行業(yè)的需求,智能電網已成為電力行業(yè)的發(fā)展趨勢。智能電網是在傳統(tǒng)電網的基礎上融合計算機可視化、通信技術、傳感檢測等多種技術的新型電網,具有數(shù)字化、自動化、信息化等基本特征。電網中大部分電能是在終端用電設備上消耗的,而且用戶端產品量大、面廣,是電能管理和安全保護的主要對象。

智能用戶端是指從電力變壓器到用電設備之間對電能進行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統(tǒng),而對整個電網(局部電網)上的智能用戶端進行聯(lián)網信息交互是實現(xiàn)智能電網的基礎。因此,需要一種聯(lián)網技術來實現(xiàn)智能用戶端的信息交互。工業(yè)以太網技術相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術,具有價格低、穩(wěn)定可靠、通信速率高、資源共享能力強、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點。將工業(yè)以太網技術應用于智能電網領域,實現(xiàn)用戶端產品的互聯(lián)信息交互,具有可行性和實用性。與此同時,現(xiàn)有低壓電器產品運用的通信接口多為Modbus接口,要實現(xiàn)利用工業(yè)以太網聯(lián)網接入,就需要一個協(xié)議轉換網關。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)以太網技術

在國際電工委員會制訂的標準IEC 61158中定義了10種工業(yè)以太網標準[1],這些以太網標準從處理方式上可分為3類:

(1) A類使用標準以太網硬件和標準TCP/IP協(xié)議棧,通過上層中合理的控制來應對通信中的非確定因素,如Modbus/TCP協(xié)議。

(2) B類使用標準以太網硬件,但過程數(shù)據(jù)的傳輸采用專門的傳輸協(xié)議,如Power-Link協(xié)議。

(3) C類協(xié)議中所用從站由專門的硬件實現(xiàn),如EtherCAT協(xié)議[2]。

1.2 工業(yè)以太網網關

文獻[3]提出了基于x86處理器的嵌入式網關服務器的硬件設計方法,其缺點在于x86結構處理器目前已很少在嵌入式設備中使用,另外其Modbus接口端采用RS-232C通信方式,在傳輸距離和傳輸可靠性方面都存在問題。文獻[4]采用32位的高性能ARM嵌入式微處理器,通過實時嵌入式操作系統(tǒng)Nucleus Plus統(tǒng)一管理以太網驅動程序、串行驅動程序以及應用程序,內嵌Web服務器實現(xiàn)系統(tǒng)的交互訪問,該方案僅從硬件系統(tǒng)設計方面考慮,硬件結構復雜、成本較高。文獻[5]為解決不同現(xiàn)場總線之間的通信問題,設計出適合現(xiàn)場總線互聯(lián)的解決方案,設計的基于工業(yè)控制現(xiàn)場總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng),在使用現(xiàn)有的現(xiàn)場總線控制網絡的情況下,實現(xiàn)與Internet的集成,解決設備直接上網問題。該方案缺點是硬件采用S3C2410作為核心控制器件,周圍輔助器件較多,成本較高,軟件設計需操作系統(tǒng)配合。

除了上述的設計方案,國內外諸多廠商也有工業(yè)以太網網關產品,如EGX100、MESR901、MPort-100IE、CN1EG/10。以上工業(yè)以太網網關產品最低也在1 500元左右,不利于其在智能電網用戶端的廣泛使用。

2 低成本網關設計

智能電網的發(fā)展需要用戶端產品進行聯(lián)網互動,將Modbus接口的低壓電器設備聯(lián)網,但目前的設計方案及相關產品價格昂貴,限制了網關產品在智能電網中的廣泛應用。因此,本文提出一種基于Modbus/TCP的低成本網關設計方案。

2.1 硬件設計

Modbus/TCP網關的硬件設計方面主要涉及Modbus物理層接口、 Modbus/TCP物理層接口和完成協(xié)議轉換的處理器。Modbus/TCP網關硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 Modbus/TCP網關硬件原理框圖

首先,根據(jù)GB/T 19582.2—2008《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范 Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)指南》串行鏈路上的Modbus解決方案,可利用RS- 485、RS-232實現(xiàn)電氣連接,通信速率要求為9 600 b/s和19 200 b/s,也可使用1 200、2 400、4 800…38 400 b/s等?？紤]到智能電網組網的信號傳輸距離及傳輸中的干擾抑制能力,該設計中采用RS- 485接口作為Modbus物理層接口。另外,在智能電網應用領域中,設備工作環(huán)境復雜、干擾較大。為了保證設備通信正常以及核心控制電路的安全,必須在通信端口加入光耦隔離器。為實現(xiàn)整個網關的低成本,在器件選擇方面也要考慮其性價比。RS- 485通信芯片選擇MAX3085,最高通信速率為500 kb/s,完全能滿足要求;光耦選擇TLP281,其導通關斷時間為3 μs,以Modbus通信速率19 200 b/s為例,其單個字符時長為1/19 200 s=52 μs,因此光耦的開關時間對字符傳輸幾乎無影響。以上兩種器件的選擇均滿足了Modbus接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

Modbus物理層接口設計如圖2所示。

圖2 Modbus物理層接口設計

根據(jù)GB/T 19582.3—2008中Modbus在TCP/IP上的實現(xiàn)規(guī)定,Modbus/TCP物理層(以太網物理層)在設計該部分時考慮兩種設計方案。

(1) 采用獨立的PHY配合帶MAC控制器的處理芯片實現(xiàn)。該方案的缺點是一般帶MAC控制器的處理芯片功能都比較強大,通信接口及芯片I/O都比較多,軟件編程需要加入操作系統(tǒng)及TCP/IP協(xié)議。因此,硬件成本高,軟件開發(fā)時間周期長。

(2) 采用集成PHY、MAC及TCP/IP協(xié)議棧的網絡芯片,加上簡單的處理器芯片即可完成以太網通信功能。該方案軟件開發(fā)周期短,且硬件成本低。

本文采用第二種方案,網絡接口選擇集成硬件TCP/IP協(xié)議棧的網絡芯片W5200。該芯片硬件支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、 IPv4、ARP、PPPoE協(xié)議,與MCU連接方式為SPI方式,MCU訪問它就如同訪問一般存儲器。核心控制芯片選擇ARM CortexTM-M0內核處理器STM32F051,其通過高速SPI方式訪問W5200。在該設計方案中,W5200SPI通信接口通信頻率最高可達80 MHz,而STM32F051SPI通信接口通信頻率最高可達18 Mb/s,兩者通過SPI接口進行通信的速率最高為18 Mb/s,完全滿足通信速率要求。

2.2 軟件設計

串行鏈路上的Modbus幀結構包括地址域、功能代碼、數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)。在Modbus串行鏈路上,主站通過在報文地址域中放置從站地址尋址從站。當從站返回響應時,主站將其地址放置到響應地址域中,以便獲知子節(jié)點的響應。功能碼指示服務器要執(zhí)行何種操作,功能碼后面是含有請求和響應參數(shù)的數(shù)據(jù)域。差錯檢驗域是根據(jù)報文內容執(zhí)行“冗余校驗”計算的結果。在TCP/IP上使用一種專門報文頭來識別Modbus應用數(shù)據(jù)單元,報文頭被稱為MBAP,因此Modbus/TCP上的數(shù)據(jù)幀結構包括MBAP報文頭、地址域、功能代碼、數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)。

因此,當從以太網端口接收數(shù)據(jù)時,只需將幀結構中的MBAP報文頭拆除,即可得到標準的Modbus幀結構,再根據(jù)功能碼及數(shù)據(jù)判定要做出何種響應。當從以太網發(fā)送數(shù)據(jù)時,只需將Modbus幀加入MBAP報文頭即可得到Modbus/TCP幀,再經過網絡接口發(fā)送到網絡設備。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

3 測 試

為方便調試時與PC機連接,在設計時加入了RS-232接口,將PC機串口與樣機RS-232接口連接,PC機以太網口與樣機以太網口連接,樣機IP地址設置為10.10.100.254,通信端口設置為888,連接類型為TCP連接,設置串口通信參數(shù)為BR=9 600 b/s,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無校驗。測試時,串口和以太網口相互發(fā)送接收數(shù)據(jù)。以太網發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面如圖4所示,串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面如圖5所示。

圖4 以太網發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面

圖5 串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面

從圖4、圖5可知,串口向以太網發(fā)送82 Byte,以太網接收82 Byte,且字符無錯誤;以太網向串口發(fā)送83 Byte,串口接收83 Byte,且字符無錯誤。

4 結 語

本文設計的網關完成相應轉換功能,采用TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片,減少了對協(xié)議轉換處理芯片的性能要求,大大降低了整個系統(tǒng)的設計成本及軟件設計難度,從硬件上實現(xiàn)了低成本設計。

[1] IEC 61158-1 Industrial communication networks—Fieldbus specifications Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series[S].

[2] 魏亞鵬,韓衛(wèi)光.實時工業(yè)以太網技術的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2013(7):50-53.

[3] 周冰宇,邱建利,龐宏冰.x86嵌入式網關實現(xiàn)MODBUS與TCP協(xié)議轉換[J].計算機與數(shù)字工程,2006(12):57-59.

[4] 霍恒裕.基于嵌入式系統(tǒng)的斷路器工業(yè)以太網數(shù)據(jù)適配器的開發(fā)[D].蘇州:蘇州大學,2008.

[5] 姚征,婁國煥.嵌入式工業(yè)現(xiàn)場總線轉換及監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].控制工程,2009(9):89-91.

Design of Low-cost Gateway Based on Modbus/TCP Protocol

YANG Shijiang

(Shanghai Electric Appliance Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The existing low voltage electrical products almost use the Modbus interface,which restrains the extensive use of gateway products for the ending user in intelligent grid. This paper proposed a design of gateway based on Modbus/TCP protocol. The test results show that the gateway designed can accomplish the corresponding conversion function,and reduce the performance requirement of protocol processing unit,the system design cost,and the software design difficulty.

intelligent grid; Modbus/TCP protocol; gateway; software design

楊世江(1987—),男,工程師,從事終端電器智能化方面的研究。

TM 502

B

1674-8417(2015)02-0010-04

2014-10-21