隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,,在使用計算機進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時,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)器來實現(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)膶崿F(xiàn)來控制管理設(shè)備,,無需投資大量的人力,、物力即可完成對傳統(tǒng)設(shè)備的管理、更換或者升級,。
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:一類是標準的RS232/422/485格式的串行端口,遠程的RTU(遠程終端設(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)的交換機等設(shè)備中。
串口服務(wù)器在工作中可自動將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)包進行透明轉(zhuǎn)換,。一方面,,串口服務(wù)器收到來自某一串行端口的現(xiàn)場數(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,通過解包來解析出有效的控制信息,,通過監(jiān)控機指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠程RTU.
硬件平臺
此系統(tǒng)的硬件平臺如圖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)備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng),以及可靠,、實時并準確地完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和信號輸出等功能,。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議,同時,,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
本設(shè)計采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢:可擴展的完整操作系統(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(包括網(wǎng)絡(luò)和無線領(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言,。利用這個協(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)備之間進行通信,。
主流的Modbus協(xié)議為標準Modbus協(xié)議(Modbus RTU協(xié)議)和Modbus TCP協(xié)議,。標準的Modbus通信協(xié)議定義了報文幀的每一字節(jié),定義了怎樣將數(shù)據(jù)打包成報文幀以及如何解碼,。報文幀包括一個字節(jié)的地址碼,,一個字節(jié)的功能碼,數(shù)據(jù)和兩個字節(jié)的校驗碼,。其中,,校驗碼采用CRC校驗。
Modbus TCP協(xié)議是在標準Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而來的,。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)上實現(xiàn)了客戶機-服務(wù)器架構(gòu)的Modbus報文通信。二者的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2:標準Modbus與Modbus_TCP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)對比,。
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,,而這部分校驗的任務(wù)是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來完成的。另外,,Modbus TCP較標準的Modbus協(xié)議還加入了一個MBAP報文頭,,由它來解釋說明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“單元標識域”和后續(xù)字節(jié)組成一幀,,再加上此幀的CRC校驗就可以組成RTU協(xié)議,而在串行鏈路上進行發(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)實際情況組建一個MBAP頭。
獲取配置信息GetConfigValue功能的設(shè)計與實現(xiàn)
在設(shè)計串口服務(wù)器之前,,首先要配置相應(yīng)的設(shè)備號并給設(shè)備配置相應(yīng)的串口服務(wù)器IP地址,、TCP通信端口號和串口參數(shù)等,這些配置信息放在一個txt文件當中,。
我們設(shè)計了一個Configinfo.txt文件,,當我們需要向一個設(shè)備傳遞信息時,需要首先從文件中讀取配置信息,,對相應(yīng)的串口及工控板的網(wǎng)絡(luò)進行配置,,然后再進行相應(yīng)的操作。這時,,我們在其中用到了兩個自定義函數(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,,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)計與實現(xiàn)
在對串口進行相應(yīng)的操作時,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文件當中,,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),。所進行的包括以下幾種操作。
串口的打開和關(guān)閉:打開串口時,,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的串口配置信息,最后對串口進行波特率,、數(shù)據(jù)位,、停止位和奇偶校驗位的設(shè)置。關(guān)閉串口時,,需要將原來保存的終端信息恢復(fù),,使串口回到打開前的狀態(tài)。
對串口進行數(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,,當有數(shù)據(jù)傳送過來時,,需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入所指的文件,,讀串口操作會把串口送來的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中,。分別用writecomport和readcomport來實現(xiàn)。
對串口進行設(shè)置:需要設(shè)置波特率,、數(shù)據(jù)位,、停止位和奇偶校驗位。調(diào)用定義的封裝函數(shù),,來完成這些操作,。串口的工作模式通過termios函數(shù)的配置來控制。
Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)
這一步是串口服務(wù)器設(shè)計的關(guān)鍵,,其轉(zhuǎn)換重點在于CRC校驗和MBPA報頭的變換,。在這里,定義mod2tcp函數(shù)來完成Modbus RTU到TCP格式的轉(zhuǎn)換,,定義tcp2mod函數(shù)來完成Modbus TCP到RTU格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。例如,來自Modbus主站的TCP協(xié)議請求,,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校驗功能
CRC即循環(huán)冗余校驗碼,,它是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼,。RTU方式時,CRC校驗傳送的全部數(shù)據(jù),,它忽略信息中單個字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗方法,。CRC校驗的關(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校驗當中是其中的關(guān)鍵,。
CRC校驗有既定的規(guī)則,,其程序?qū)崿F(xiàn)非常簡單,只需要以下幾步:CRC字節(jié)的初始化,;將數(shù)據(jù)導(dǎo)入進行CRC計算,;返回計算出的CRC值,。
串口服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)
此部分介紹整個程序的main()函數(shù),,它會調(diào)用前文介紹的函數(shù)來實現(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(),;在信號量中的參數(shù)要配置正確;進程的管理方面,,要注意進程退出時先退出子進程,,在所有進程都完成之后再關(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)器測試過程中,,有時會出現(xiàn)TCP到RTU發(fā)送時數(shù)據(jù)包錯誤,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的實時性并不很好,,不能及時地發(fā)送數(shù)據(jù),有時會出現(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。
當多幀數(shù)據(jù)同時到達時,,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)幀錯誤,。這就是發(fā)生上述數(shù)據(jù)完全錯誤的原因,。這時,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,,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,,不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯位,,而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的完全錯誤。
本文小結(jié)
本文的目標是在以AT91RM9200芯片構(gòu)建的Multibus-CPU開發(fā)板上實現(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),實現(xiàn)上位機和設(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)板上正確運行,。