基于MODBUS TCP協議的船用以太網通信系統設計

2018-04-23 03:53:44楊明超

船電技術 2018年3期

關鍵詞：系統

鄭軼，楊明超

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著艦船設備的不斷更新換代，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備的狀態，并可通過計算機向各設備發送指令。艦船設備的狀態參數的獲取與指令的發送，需要船用通信系統的良好支持。目前應用于艦船的通信方式主要包括CAN通信及以太網通信，其中，以太網通信速率較快，數據傳輸穩定，不易受到外部干擾，適合大量數據參數的循環上傳。

1 概述

1.1 MODBUS協議概述

MODBUS協議由Modicon在1979年發明，是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，它定義了一個與基礎通信層無關的協議數據單元（PDU），即PDU=MODBUS功能碼+數據域。在某些特定總線或網絡上，MODBUS協議能夠映射在應用數據單元（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協議主要應用于以太網通信（MODBUS TCP）、串口通信（MODBUS RTU）及高速令牌傳遞網絡（MODBUS PLUS）。在不同類別的網絡中，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協議中，ADU=MBAP+PDU。MBAP是TCP/IP協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協議中，其ADU不再含有校驗碼。

1.2 MODBUS TCP通信系統模型

MODBUS TCP通信系統模型一般基于客戶機/服務器模型搭建，如圖3所示。

圖3 MODBUS TCP通信系統客戶機/服務器模型

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

MODBUS TCP通信系統可以包括多個MODBUS客戶機和服務器，其他互聯設備也可通過客戶機或服務器TCP/IP網關接入該通信系統，如圖4所示。

圖4 MODBUS TCP通信系統示意圖

1.3 船用以太網通信系統

目前廣泛使用的船用以太網通信系統多采用“一主多從”的構建思路，即由集中控制室的計算機擔任主機，依次向各設備輪詢數據，如圖5所示。

圖5 船用以太網通信系統結構示意圖

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

2 設計實現

2.1 船用MODBUS TCP通信系統總體框圖

圖6 船用MODBUS TCP通信系統結構

結合圖3、圖4和圖5可以看出，船用以太網通信系統可以按照MODBUS TCP通信系統結構進行搭建，如圖6所示。

將集控室計算機作為客戶機，各設備作為服務器，由集控室計算機向各設備發送輪詢請求，并接收返回數據。以客戶機與其中一臺服務器為例，其信息交換示意圖如圖7所示。

圖中，socket()函數用于創建套接字，bind()函數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，服務器端需要使用listen()函數將狀態置為偵聽，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器進行數據交換，則需要使用connect()函數來指定套接字號、服務器IP地址和端口號，服務器在接收到客戶機的連接請求后，需要使用accept()函數指定之前在listen()函數中所指定的套接字號，用以確定當前訪問的客戶機。在連接完成后，客戶機可以使用send()函數向服務器發送MODBUS請求，服務器需要使用recv()函數進行接收，再使用send()函數向客戶機發送MODBUS響應。值得注意的是，客戶機在發送一個MODBUS請求后，無需等待服務器端的響應便可以繼續發送下一個MODBUS請求。

圖7 MODBUS TCP通信系統信息交換示意圖

2.2 MODBUS服務器端建立

MODBUS服務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，根據檢驗情況決定生成MODBUS應答或是MODBUS異常，并將該應答或者異常作為響應發送給客戶機，其詳細設計分述如下：

圖8 MODBUS服務器端信息處理流程圖

1）初始化

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

接下來需要將服務器置于偵聽狀態。MODBUS服務器端應支持多個并發的客戶機同時連接。在設計時，采用多線程策略可以實現該項功能，即每當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TcpListen()的核心代碼如下：

2）生成MODBUS應答/異常

對于并發的連接，在接收到來自客戶機的請求時，服務器端將在對應的線程內對請求進行處理。根據MODBUS協議的MBAP報文頭判斷請求類別，再按照約定的協議內容向客戶機返回數據。響應函數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，根據需求發送請求PDU，同時監測是否收到響應PDU，根據檢驗情況決定生成MODBUS肯定證實或是MODBUS否定證實，并將該證實發送給用戶應用，其詳細設計分述如下：

1）初始化

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

2）發送MODBUS請求

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

3）處理數據并生成肯定/否定證實

與服務器端的處理方式類似，接收函數根據MODBUS協議的MBAP報文頭判斷數據類別，再按照約定的協議內容解析數據。接收函數ReceiveMsg()的核心代碼如下：

3 通信測試

3.1 MODBUS服務器端測試

根據第二章的內容，采用C#編寫MODBUS服務器端測試程序，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調試工具模擬MODBUS客戶端。運行MODBUS服務器端測試程序，單擊程序中的“開啟服務器”按鈕，并在TCP/UDP調試工具中設置本機IP為192.168.163.1，端口為9000，連接類型為TCP，單擊“連接”按鈕。此時調試工具已與本機連接。按照MODBUS協議，其MODBUS請求格式及數值如表2所示。