一种用低成本实现的Modbus／TCP转换器

李勇，黄健

（中山职业技术学院，中山528404）

1 Modbus协议分析

Modbus协议是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机／服务器通信。Modbus通信栈模型如图1所示［1］。物理层协议以EIA／TIA－232、EIA／TIA－485串行链路协议和以太网II／802.3协议为代表。Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元PDU，PDU中的功能码向服务器指示将执行哪种操作，如对线圈、寄存器的读写操作。特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元ADU上引入一些附加域。

图1 Modbus通信栈模型

串行链路上的Modbus帧数据结构如图2所示。其中，地址域即为附加域，占用一个字节，按编码形式可分为ASCII和RTU两种。

图2 Modbus串行链路数据单元

Modbus／TCP协议的数据帧格式如图3所示。其中，MBAP报文头占7个字节，这种报文头提供一些与串行链路上使用的Modbus RTU应用数据单元的差别:

图3 Modbus TCP／IP数据单元

①用MBAP报文头中的单个字节单元标识符取代Modbus串行链路上通常使用的Modbus从地址域。这个单元标识符用于设备的通信，这些设备使用单个IP地址支持多个独立Modbus终端单元（例如网桥、路由器和网关）。

②用接收者可以验证完成报文的方式设计所有Modbus请求和响应。对于Modbus PDU有固定长度的功能码来说，仅功能码就足够了。对于在请求或响应中携带一个可变数据的功能码来说，数据域包括字节数。

③当在TCP上携带Modbus时，即使将报文分成多个信息包来传输，也需在MBAP报文头上携带附加长度信息，以便接收者能识别报文边界。显式和隐式长度规则的存在以及CRC－32差错校验码的使用（在以太网上）将对请求或响应报文产生极小的未检出干扰。

MBAP报文头包括下列域:事务元标识符，2个字节，作为Modbus请求／响应事务处理的识别码；协议标识符，2个字节，约定为0；长度域，2个字节，指示接下来字节的数量；单元标识符，1个字节，串行链路或其他总线上连接的远程从站的识别码。要实现Modbus／TCP转换器，进行Modbus TCP ADU与ASCII ADU之间，Modbus TCP ADU与RTU ADU之间的转换是核心内容。

2 网络单片机PIC18F67J60

PIC18F67J60系列单片机具有嵌入式以太网控制器模块。它是一个完整的连接解决方案，完全实现介质访问控制和物理层收发器模块，只需使用2个脉冲变压器和一些无源器件即可将单片机直接与以太网相连。以太网模块包含以下5个主要功能模块:

①PHY收发器模块。对传输双绞线接口上的模拟数据进行编码和解码，并通过网络发送和接收。

②MAC模块。实现了符合IEEE802.3规范的MAC逻辑，并提供用以控制PHY的MIIM（Media Independent Interface Management）。

③独立的8 KB RAM缓冲区。用于存储已经接收和将要发送的数据包。

④判优器。在单片机内核、DMA、发送和接收模块发出请求时，控制对RAM缓冲区的访问。

⑤寄存器接口。作为以太网模块和单片机特殊功能寄存器（SFR）之间的命令和内部状态信号译码器［2］。

PIC18F67J60的以太网模块符合IEEE802.3中所有关于双绞线网络10－Base T连接的规定。其内部实现了一些数据包过滤机制，用于限制传入的数据包；同时，还提供了1个用于实现快速数据吞吐的内置DMA模块、硬件IP的校验和计算，以及2个用于指示链路和网络活动的LED输出。

PIC18F67J60还提供了2个增强型USART（支持RS232和RS485）、5个定时器、27个中断源、128 KB的代码存储空间、接近4 KB的RAM空间，为TCP／IP协议栈和Modbus协议转换提供了硬件支持。

3 Microchip TCP／IP协议栈分析

Microchip公司提供免费的TCP／IP软件栈，它服务于标准的、基于TCP／IP的应用程序，或者使用在定制的、基于TCP／IP的应用程序中。本应用系统使用的是该协议栈的4.02版本。类似于TCP／IP参考模型，Microchip TCP／IP协议栈将TCP／IP协议栈分为多层，如图4所示。每层的实现代码驻留在一个独立的源文件中，而服务和应用程序编程接口（API）是通过头文件或包含文件定义的。

图4 Microchip TCP／IP协议栈结构

与TCP／IP参考模型不同的是，Microchip TCP／IP协议栈中的许多层可以直接访问在它下面的一层或多层。关于一个层是否绕过相邻模块来获得所需的服务，主要根据开销的大小，以及服务是否需要智能处理后才能传递到下一层来决定［3］。与传统TCP／IP协议栈实现方法的不同之处是，添加了2个新模块——Stack Task和ARPTask。Stack Task管理协议栈及其所有模块的操作，而ARPTask管理地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）层的服务。

Microchip TCP／IP协议栈使用了协同式多任务处理技术。在协同式多任务处理系统中同时存在多个任务，每个任务执行自己的作业然后交回控制权，这样下一个任务才能够执行作业。Stack Task和ARPTask都是协同式任务。通常，协同式多任务处理（或任何其他类型的多任务处理）是由操作系统或主应用程序自身来实现的。Microchip TCP／IP协议栈被设计为独立于任何操作系统，可实现它自己的协同式多任务处理系统。因此，它可以被应用在任何系统中，而不论该系统是否为多任务操作系统。但是，使用Microchip TCP／IP协议栈的应用程序自身必须使用协同式多任务处理方法。

4 软件实现框架

本转换器需要实现以下4种工作模式:

①TCP从站转RTU从站。在本工作模式下把和转换器相连的Modbus／RTU从站转化为Modbus／TCP从站，这样Modbus／TCP主站就可以通过以太网访问Modbus／RTU从站。

②TCP从站转ASCII从站。在本工作模式下把和转换器相连的Modbus／ASCII从站转化为Modbus／TCP从站，这样Modbus／TCP主站就可以通过以太网访问Modbus／ASCII从站。

③ASCII主站转TCP主站。在本工作模式下把和转换器相连的Modbus／ASCII主站转化为Modbus／TCP主站，这样Modbus／TCP从站就可以通过以太网访问Modbus／ASCII主站。

④RTU主站转TCP主站。在本工作模式下把和转换器相连的Modbus／RTU主站转化为Modbus／TCP主站，这样Modbus／TCP从站就可以通过以太网访问Modbus／RTU主站。

转换器软件系统框架如图5所示。RS232／485传输管理模块中的“参数控制”部分管理通信波特率的设置，Modbus串行链路协议中要求整条链路上的Modbus设备设置为同样的波特率；“超时管理”中根据设置的波特率启动两个定时，分别记录Modbus定义的报文间超时和字符间超时。协议转换模块根据本机设置，在TCP ADU和ASCII／RTU ADU之间进行用户数据包格式转换。TCP管理层中“连接管理”负责管理报文的传输连接。系统设置为用户提供各种参数设置和工作模式设置的接口。

图5 转换器软件系统框架

5 总 结

PIC18F67J60丰富的片上资源为本文实现的转换器提供了单片的、低成本的实现方案，免费并且开源的Microchip TCP／IP协议栈能轻松地支持Microchip 8位单片机，很大程度上节约了开发时间，同时也保证系统运行稳定。本套系统相对市面上其他同类转换器，具有成本低、体积小、便于安装等特点，具有一定市场价值。

［1］Microchip Technology Inc.Modbus协议中文版，2006.

［2］Microchip Technology Inc.PIC18F67J60 datasheet，2008.

［3］Microchip Technology Inc.Microchip TCP／IP协议栈，2006.