基于工业以太网的Modbus网关研究与设计

摘要

工业以太网技术的发展，使工业控制从单机控制走向基于TCP/IP网络的集中监控、集散控制。Modbus协议是应用于工业控制器上的一种通信协议标准。传统的Modbus协议大多运行在RS-232/485串行链路上，而Modbus TCP作为基于TCP/IP协议的Modbus实现，具有更好的可靠性、灵活性和扩充性。为了满足Modbus ASCH/RTU设备的联网需求，实现两种网络间的透明数据传输，本文基于ARM微处理器设计了一种Modbus通信网关，完成Modbus ASCII/RTU和Modbus TCP协议之间相互转换。网关的设计选用uC/OS-Ⅱ实时内核和1wIP协议栈，具有实时响应能力和较低的资源占用率。 在Modbus网关的协议转换设计中，采用数据通讯和数据处理分离的机制，并为Modbus消息建立了缓冲池，通讯进程负责数据的收发，并把数据放入缓冲池，处理进程从缓冲池中依次读出数据，进行相应处理。这种机制有效地解决了通讯速度与处理速度不匹配的问题，避免了因独占链路而引起的Modbus请求堵塞，保证了消息能够得到即时处理。 为了提高网关的可靠性，本文通过分析网络接口冗余备份技术的实现原理，提出了一种通过驱动程序实现冗余备份的方案，并设计了一个高速的冗余切换算法。该算法应用无关，切换效率高。为了提高系统的安全性，设计了MAC地址过滤和IP防火墙功能。 基于Web的数据发布技术因其容易部署和界面友好得到了广泛应用。网关通过内嵌Web服务器，方便用户通过网页进行参数设置和数据监控，并采用AJAX技术实现了基于Web的数据采集与实时显示功能。这种方案无需部署，数据传输效率高。Web服务器还内置了用户认证功能，限制未授权用户的访问。

目录

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声明

第一章绪论

1.1课题提出的背景

1.2课题研究的意义

1.3国内外研究现状

1.4课题研究的主要内容

第二章Modbus网关的方案选择与总体设计

2.1网关功能分析

2.2方案选择与分析

2.2.1方案分析

2.2.2嵌入式实时操作系统的选择

2.2.3 TCP/IP协议栈的选择

2.3总体结构设计

2.4程序目录结构

第三章网关硬件平台的设计及测试环境的组建

3.1硬件平台设计

3.1.1硬件总体结构设计

3.1.2存储器扩展模块设计

3.1.3以太网通讯模块设计

3.1.4串口通讯模块设计

3.2测试环境的组建

第四章Modbus网关中μC/OS-Ⅱ和lwIP的移植与配置

4.1 Modbus网关中μC/OS-Ⅱ的移植与配置

4.1.1编译器相关数据类型移植

4.1.2任务切换功能的设计

4.1.3中断服务程序的入口设计

4.1.4针对网关应用配置μC/OS-Ⅱ

4.2 Modbus网关中lwIP的移植与配置

4.2.1lwIP协议栈移植分析

4.2.2编译器相关数据类型移植

4.2.3网络接口驱动程序设计

4.2.4操作系统模拟层的移植

4.2.5针对网关应用配置lwIP

4.3 μC/OS-Ⅱ和lwIP的调试

第五章Modbus网关可靠性与安全性设计

5.1网络接口冗余备份功能设计

5.1.1冗余备份原理分析

5.1.2驱动程序中实现冗余备份

5.1.3冗余切换算法设计

5.1.4冗余切换性能测试

5.2 Modbus网关安全性设计

5.2.1 MAC地址过滤功能的设计

5.2.2 IP防火墙的设计

第六章Modbus网关协议转换功能设计

6.1协议转换功能设计分析

6.2协议转换功能的模块化设计

6.3 Modbus串行通讯模块设计

6.4 ModbusTCP/IP通讯模块设计

6.4.1 lwIP API接口的选择

6.4.2 TCP连接管理模块的设计

6.4.3 Modbus TCP通讯设计

6.5协议转换模块设计及测试

第七章Modbus网关Web发布功能的设计

7.1 Web服务器的设计

7.1.1静态网页的处理

7.1.2动态网页的处理

7.1.3用户访问控制功能的设计

7.2基于AJAX技术的实时数据Web发布功能设计

7.2.1几种基于Web的数据发布方法的比较

7.2.2 AJAX技术的特点与优势

7.2.3基于AJAX的Web发布功能的设计

7.2.4基于AJAX的Web发布功能的测试

第八章结论与展望

参考文献

附录

致谢