基于Modbus/TCP的智能断路器通信模块的研究与开发

摘要

随着现场总线技术和工业以太网技术的快速发展，以及关键问题的突破，使得工业自动化领域的通信网络正在逐步统一到工业以太网。目前国外新开发出来的智能断路器已经具有了以太网接口，但国内很多设备的通信接口大多是RS485。Modbus/TCP是工业以太网技术中最有发展前景的一种，在工业自动化领域具有很高的性价比，得到了国内外大公司的广泛支持。 针对以上情况，本文开发了一种外挂式的协议转换器，用于智能低压断路器产品接入工业以太网。为了实现上述目标，本文提出了一种基于AT91SAM7X256微处理器的通信系统设计方案，其主要功能就是使具有RS485接口的现场低压电器设备能够无缝集成到工业以太网测控系统中，即完成Modbus_RTU与Modbus/TCP协议转换，实现远程网络监控。 本文的主要研究工作有： (1)分别从协议功能码、数据传输模型及数据帧等方面对Modbus__RTU串行链路协议与Modbus/TCP工业以太网协议进行了仔细的研究与分析，并结合本课题的实际情况合理的选择相应功能。 (2)研究了AT91SAM7X256微处理器的体系结构及功能特点，并结合实际情况，开发了一套基于该处理器的硬件平台。该平台不仅具有标准的RS485接口和工业以太网接口；还具有对该平台的配置接口，可通过该接口设置不同的Modbus参数，从而使该通信系统更具适用性。 (3)为了满足工业应用场合下对实时性的要求，并结合本课题开发的硬件平台的性能特点，设计了一种基于嵌入式实时操作系统μ C/OS-II的软件设计方案。深入研究了实时操作系统μ C/OS-II的功能特点，并将其成功移植到该硬件平台上。根据Modbus/TCP协议的功能特点及深入研究TCP/IP协议栈LwIP的基础上，完成嵌入式TCP/IP协议栈LwIP的移植，并对其做了相关测试，测试结果表明移植的嵌入式TCP/IP协议栈工作正常。 (4)详细分析了Modbus_RTU进程与Modbus/TCP进程之间数据交换的原理，并在此基础上分别完成Modbus_RTU和Modbus/TCP两个子通信模块的应用程序编写。借助本课题组所开发的网络测控系统对本通信系统进行了测试，测试结果表明本通信系统达到了预期目标。 本课题所开发的通信模块，对于开发相关产品具有很好的借鉴作用；且符合低压电器网络化的发展趋势，将有利于实现工厂信息一体化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 工业控制网络研究概况

1.2.1 工业以太网技术国内外研究概况

1.2.2 Modbus国内外研究概况

1.3 可通信低压电器国内外研究现状

1.4 课题研究的目的和意义

1.5 论文的主要研究内容

第二章Modbus网络通信协议研究

2.1 Modbus_RIRJ串行链路协议研究

2.1.1 Modbus协议简介

2.1.2 Modbus功能码及异常响应分析

2.1.3 Modbus串行链路上的实现

2.1.4 Modbus主从协议原理及两种串行传输模式

2.2 Modbus/TCP协议研究

2.2.1 Modbus/TCP协议简介

2.2.2 Modbus/TCP通信协议模犁

2.2.3 Modbus/TCP传输模式

2.2.4 Modbus/TCP数据帧

2.3 客户端/服务器模型

2.3.1 客户端实现

2.3.2 多线程服务器实现

2.4 本章小结

第三章通信模块的硬件设计与实现

3.1 通信模块的硬件总体框架

3.2 硬件电路主要组成部分的设计

3.2.1 微处理器

3.2.2 以太网接口电路

3.2.3 RS485接口电路

3.2.4 调试电路及配置接口

3.2.5 电源及时钟电路

3.3 本章小结

第四章嵌入式操作系统及LwIP协议栈的研究与移植

4.1 嵌入式操作系统

4.1.1 嵌入式操作系统的特点和结构

4.1.2 嵌入式操作系统的类型

4.1.3 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ研究

4.2 μC/OS-Ⅱ操作系统的移植

4.2.1 OS_CPU.H源文件的实现

4.2.2 OS_CPU_C.S源文件的实现

4.2.3 OS_CPU_C.C源文件的实现

4.3 嵌入式TCP/IP协议栈LwIP研究

4.3.1 嵌入式TCP/IP协议栈LwIP

4.3.2 LwIP协议的进程模型

4.3.3 操作系统模拟层

4.3.4 缓冲及内存管理

4.3.5 IP处理

4.3.6 TCP处理

4.3.7 应用程序接口API

4.4 μC/OS-Ⅱ上LwIP协议栈的实现

4.4.1 操作系统模拟层的实现

4.4.2 初始化及网络驱动实现

4.4.3 LwIP协议栈的测试

4.5 本章小结

第五章 应用层软件设计实现及测试

5.1 软件设计

5.1.1 Modbus/TCP应用层的设计

5.1.2 Modbus-RTU软件设计及PC配置部分

5.2 通信模块的测试

5.2.1 Modbus/TCP以太网通信模块测试

5.2.2 以太网进程与串口进程间数据通信测试

5.3本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致 谢