基于MODBUS TCP協(xié)議的船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計

鄭 軼，楊明超

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著艦船設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，對艦船的操作與控制也在逐步向集中式的方向靠攏。艇員依靠集中控制室的計算機便可觀測艦船各設(shè)備的狀態(tài)，并可通過計算機向各設(shè)備發(fā)送指令。艦船設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)的獲取與指令的發(fā)送，需要船用通信系統(tǒng)的良好支持。目前應(yīng)用于艦船的通信方式主要包括CAN通信及以太網(wǎng)通信，其中，以太網(wǎng)通信速率較快，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，不易受到外部干擾，適合大量數(shù)據(jù)參數(shù)的循環(huán)上傳。

1 概述

1.1 MODBUS協(xié)議概述

MODBUS協(xié)議由Modicon在1979年發(fā)明，是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，它定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），即PDU=MODBUS功能碼+數(shù)據(jù)域。在某些特定總線或網(wǎng)絡(luò)上，MODBUS協(xié)議能夠映射在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上，即ADU=地址域+PDU+校驗碼，其通用幀格式如圖1所示。

圖1 MODBUS通用幀格式

目前MODBUS協(xié)議主要應(yīng)用于以太網(wǎng)通信（MODBUS TCP）、串口通信（MODBUS RTU）及高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)（MODBUS PLUS）。在不同類別的網(wǎng)絡(luò)中，對ADU的封裝也存在差異，以MODBUS TCP/IP為例，其ADU的組成如圖2所示。

圖2 MODBUSTCP/IP幀格式

可以看出，在MODBUS TCP協(xié)議中，ADU=MBAP+PDU。MBAP是TCP/IP協(xié)議上使用的一種專用報文頭，用以識別ADU。MBAP報文頭由7個字節(jié)組成，其格式如下表1所示。

表1 MBAP報文頭組成

從表格中可以看到，由于MBAP中含有長度信息，接收者能夠清晰的識別報文的邊界，因此在MODBUS TCP協(xié)議中，其ADU不再含有校驗碼。

1.2 MODBUS TCP通信系統(tǒng)模型

MODBUS TCP通信系統(tǒng)模型一般基于客戶機/服務(wù)器模型搭建，如圖3所示。

圖3 MODBUS TCP通信系統(tǒng)客戶機/服務(wù)器模型

客戶機/服務(wù)器模型基于4種類型的報文：請求、指示、響應(yīng)和證實。客戶機向服務(wù)器發(fā)送請求指令（MODBUS請求），服務(wù)器接收到來自客戶機的指令（MODBUS指示）后，對該指令進行響應(yīng)（MODBUS響應(yīng)），即按照約定的協(xié)議內(nèi)容向客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)，并由客戶機對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行辨識和處理（MODBUS證實）。

MODBUS TCP通信系統(tǒng)可以包括多個MODBUS客戶機和服務(wù)器，其他互聯(lián)設(shè)備也可通過客戶機或服務(wù)器TCP/IP網(wǎng)關(guān)接入該通信系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 MODBUS TCP通信系統(tǒng)示意圖

1.3 船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)

目前廣泛使用的船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)多采用“一主多從”的構(gòu)建思路，即由集中控制室的計算機擔(dān)任主機，依次向各設(shè)備輪詢數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

采用集中式輪詢方式的好處在于可以分時段向各設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請求，一來可以有效利用集控室計算機的系統(tǒng)資源，二來可以避免各設(shè)備同時返回數(shù)據(jù)造成通信線路堵塞。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 船用MODBUS TCP通信系統(tǒng)總體框圖

圖6 船用MODBUS TCP通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖3、圖4和圖5可以看出，船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)可以按照MODBUS TCP通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行搭建，如圖6所示。

將集控室計算機作為客戶機，各設(shè)備作為服務(wù)器，由集控室計算機向各設(shè)備發(fā)送輪詢請求，并接收返回數(shù)據(jù)。以客戶機與其中一臺服務(wù)器為例，其信息交換示意圖如圖7所示。

圖中，socket()函數(shù)用于創(chuàng)建套接字，bind()函數(shù)用來綁定一個端口號到該套接字，并在套接字與所指定的端口號之間建立一個連接。socket初始化完成后，服務(wù)器端需要使用listen()函數(shù)將狀態(tài)置為偵聽，才能夠接收到來自客戶機的連接請求。此時，若客戶機需要與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，則需要使用connect()函數(shù)來指定套接字號、服務(wù)器IP地址和端口號，服務(wù)器在接收到客戶機的連接請求后，需要使用accept()函數(shù)指定之前在listen()函數(shù)中所指定的套接字號，用以確定當(dāng)前訪問的客戶機。在連接完成后，客戶機可以使用send()函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送MODBUS請求，服務(wù)器需要使用recv()函數(shù)進行接收，再使用send()函數(shù)向客戶機發(fā)送MODBUS響應(yīng)。值得注意的是，客戶機在發(fā)送一個MODBUS請求后，無需等待服務(wù)器端的響應(yīng)便可以繼續(xù)發(fā)送下一個MODBUS請求。

圖7 MODBUS TCP通信系統(tǒng)信息交換示意圖

2.2 MODBUS服務(wù)器端建立

MODBUS服務(wù)器端的主要處理流程如圖8所示。

程序在初始化完成后即進入等待，在接收到來自客戶機的請求PDU后，對該PDU進行檢驗，根據(jù)檢驗情況決定生成MODBUS應(yīng)答或是MODBUS異常，并將該應(yīng)答或者異常作為響應(yīng)發(fā)送給客戶機，其詳細設(shè)計分述如下：

圖8 MODBUS服務(wù)器端信息處理流程圖

1）初始化

與其他基于TCP/IP協(xié)議的設(shè)備類似，作為服務(wù)器端程序，MODBUS服務(wù)器端首先需要進行初始化，其核心內(nèi)容是設(shè)置并綁定自身IP。建立服務(wù)器函數(shù)CreateServer()的核心代碼如下：

接下來需要將服務(wù)器置于偵聽狀態(tài)。MODBUS服務(wù)器端應(yīng)支持多個并發(fā)的客戶機同時連接。在設(shè)計時，采用多線程策略可以實現(xiàn)該項功能，即每當(dāng)偵聽到新的連接請求時，便建立一個新的線程來進行操作。偵聽函數(shù)TcpListen()的核心代碼如下：

2）生成MODBUS應(yīng)答/異常

對于并發(fā)的連接，在接收到來自客戶機的請求時，服務(wù)器端將在對應(yīng)的線程內(nèi)對請求進行處理。根據(jù)MODBUS協(xié)議的MBAP報文頭判斷請求類別，再按照約定的協(xié)議內(nèi)容向客戶機返回數(shù)據(jù)。響應(yīng)函數(shù)ClientService()的核心代碼如下：

2.3 MODBUS客戶端建立

MODBUS客戶端的主要處理流程如圖9所示。

圖9 MODBUS客戶端信息處理流程圖

程序在初始化完成后即進入等待，根據(jù)需求發(fā)送請求PDU，同時監(jiān)測是否收到響應(yīng)PDU，根據(jù)檢驗情況決定生成MODBUS肯定證實或是MODBUS否定證實，并將該證實發(fā)送給用戶應(yīng)用，其詳細設(shè)計分述如下：

1）初始化

MODBUS客戶端初始化的主要內(nèi)容是建立客戶機與服務(wù)器端的連接。使用Socket類中的Connect函數(shù)可以完成這一目標(biāo)。連接函數(shù)TcpConnect()的核心代碼如下：

2）發(fā)送MODBUS請求

可采用多種策略發(fā)送MODBUS請求，最為常用的是使用timer定時器作為觸發(fā)，定時發(fā)送。發(fā)送函數(shù)timersend_Tick()的核心代碼如下：

3）處理數(shù)據(jù)并生成肯定/否定證實

與服務(wù)器端的處理方式類似，接收函數(shù)根據(jù)MODBUS協(xié)議的MBAP報文頭判斷數(shù)據(jù)類別，再按照約定的協(xié)議內(nèi)容解析數(shù)據(jù)。接收函數(shù)ReceiveMsg()的核心代碼如下：

3 通信測試

3.1 MODBUS服務(wù)器端測試

根據(jù)第二章的內(nèi)容，采用C#編寫MODBUS服務(wù)器端測試程序，使用0x03功能碼進行測試，起始地址為40101，大端模式。其主界面如圖10所示。

測試時使用TCP/UDP調(diào)試工具模擬MODBUS客戶端。運行MODBUS服務(wù)器端測試程序，單擊程序中的“開啟服務(wù)器”按鈕，并在TCP/UDP調(diào)試工具中設(shè)置本機IP為192.168.163.1，端口為9000，連接類型為TCP，單擊“連接”按鈕。此時調(diào)試工具已與本機連接。按照MODBUS協(xié)議，其MODBUS請求格式及數(shù)值如表2所示。

圖10 MODBUS服務(wù)器端測試程序

單擊TCP/UDP調(diào)試工具中“發(fā)送”按鈕，可在接收欄中看到數(shù)據(jù)序列如圖11所示。

將該數(shù)據(jù)序列進行解析，如表3所示。

可見調(diào)試工具接收到的報文信息完整、正確，通信正常。

表2 MODBUS請求格式及數(shù)值

3.2 MODBUS客戶端測試

根據(jù)第二章的內(nèi)容，采用C#編寫MODBUS客戶端測試程序，使用0x03功能碼進行測試，起始地址為40101，大端模式，采用定時器觸發(fā)方式向服務(wù)器發(fā)送MODBUS請求。使用Modbus Slave調(diào)試工具模擬MODBUS服務(wù)器端，設(shè)置如圖12所示。

圖11 TCP/UDP調(diào)試工具結(jié)果

表3 調(diào)試結(jié)果解析

圖12 Modbus Slave調(diào)試工具設(shè)置

運行MODBUS客戶端測試程序，單擊“連接服務(wù)器”按鈕，得到的結(jié)果如圖13所示。

圖13 MODBUS客戶端測試程序結(jié)果

對比圖12和圖13可以看出，客戶端收到服務(wù)器端數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)完整、正確，通信正常。

4 小結(jié)

本文結(jié)合MODBUS TCP通信系統(tǒng)與船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了基于MODBUS TCP協(xié)議的船用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，采用C#開發(fā)環(huán)境對通信系統(tǒng)的服務(wù)器端和客戶端進行了編程設(shè)計并進行了通信測試。測試結(jié)果表明，該編程設(shè)計正確，能夠有效進行數(shù)據(jù)交互。

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