支持RS485Modbus多主站数据采集的通信转换器

摘要

一种支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器，它包括：ARM微处理器、电源/复位电路、备用链路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口，所述的电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，所述的ARM微处理器的信号输出端与备用链路的信号输入端相连，ARM微处理器还与UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口相连接。该转换器以ARM微处理器为核心，配合外围硬件接口电路,实现了2个主站设备同时采集一条RS485&Modbus总线上的数据，从而保证每个主站所采集的数据原始、真实。

说明书

技术领域

本发明涉及工业现场总线通信技术领域，实现了一种支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器。

背景技术

 Modbus串行协议最初由Modicon公司在1979年提出的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，现在已经是工业领域全球最流行的通用工业标准协议之一。

Modbus串行通信使用主-从技术，即在一条RS485&Modbus总线上仅允许存在一个主站点与多个从站点间进行数字通信，Modbus的这种主-从通信协议决定了在任何时刻只能存在一个主站进行数据采集。

在工业生产过程控制或数据采集系统中，如不同的DCS系统，PLC系统等，多个主站点需要同时从一条RS485&Modbus总线上采集数据的情况很多，解决这种问题目前普遍的做法是让一个站点作为主站点，在其采集数据后，再经通讯发送到其它站点。但这种方法不能避免数据在中间环节会被人为篡改，无法保证数据的原始性和真实性，难以在对数据原始性和真实性要求很高的场合（如海关监管）应用。因而开发能够实现RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器，具有极高的应用价值。

发明内容

本发明提供的一种多主站RS485&Modbus数据采集设备，它能够实现多个主站同时采集一条RS485&Modbus总线上的数据，采用通用的硬件接口电路，具有实时性强、使用灵活等特点。

为达到上述目的，本发明提供的一种支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器，它包括：ARM微处理器、电源/复位电路、备用链路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口，所述的电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，ARM微处理器的信号输出端与备用链路的信号输入端相连，ARM微处理器还与 UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口相连接，其中第一RS485&Modbus接口和第二RS485&Modbus接口分别用于与两主站相连，第三RS485&Modbus接口与现场仪表总线相连，所述的ARM微处理器包括：配置文件模块、从站A模块、从站B模块、采集数据模块、采集管理模块、Modbus协议栈模块和主站模块，所述的从站A模块和从站B模块分别与第一RS485&Modbus接口和第二RS485&Modbus接口相连，从相应的主站采集命令信号，并将该命令信号下发到采集管理模块，采集管理模块将命令信号下发到主站模块，主站模块将采集到的命令信号通过第三RS485&Modbus接口下发到各个仪表，并从仪表读取相应的请求数据，仪表数据通过采集管理模块返回给采集数据模块，采集数据模块将返回的仪表数据写入对应的从站数据区。

一种支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器，它是通过如下步骤来实现的多个主站同时采集一条RS485&Modbus总线上的数据的：

A、 设备上电，电源/复位电路提供设备工作所需各路电源，运行NORFLASH中所固化软件代码，复位并运行系统；

B、 系统正常运行后，通过计算机对设备进行基本参数配置；

C、 配置成功后，从站模块A与从站模块B通过不断读取其所对应的RS485&Modbus接口数据，来检测所对应主站是否有命令下发；

D、 若检测到主站A或主站B有数据下发，则将该数据接收后，存放于SDRAM，调用Modbus解析模块，根据《GBZ 19582.2-2004 基于Modbus协议的工业自动化网络规范》对该数据进行解析，若该数据为合法Modbus命令，则将该指令转发至采集管理模块，并等待该命令响应帧；若检测到主站A和B同时有数据下发，则根据系统设置的优先级来决定读取的先后顺序；

E、 采集管理模块将从站模块A与从站模块B所下发Modbus命令转发至主站模块，并等待主站模块返回该命令响应帧；

F、 主站模块将从采集管理模块获取的Modbus命令下发至仪表，等待仪表响应后，从仪表读取该Modbus命令的响应帧，根据《GBZ 19582.2-2004 基于Modbus协议的工业自动化网络规范》所规定校验方法对该响应帧校验成功之后，将此Modbus命令响应帧发送至采集管理模块；

G、 采集管理模块将所读取Modbus命令响应帧发送至此帧所对应的从站模块；

H、 从站模块A与从站模块B将Modbus将响应帧发送至各自相应的Modbus主站，并继续检测对应主站是否有命令下发，返回步骤D。

所述的备用链路包括监控电路和继电器，所述的监控电路的信号输入端与ARM微处理器的信号输出端相连，监控电路的信号输出端与继电器的线圈a相连，继电器的常开触点b分别与ARM微处理器和第三RS485&Modbus接口相连接，继电器的常闭触点c分别与第一RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口相连结，当系统异常时，ARM微处理器无信号输出，线圈a断电，常开触点b断开，常闭触点c闭合，现场仪表总线与主站A直接相连，保证数据的正常采集。

所述的UI电路上设置有指示灯，系统配置成功后，UI电路通过该指示灯通知用户配置成功。

所述的ARM微处理器采用的是AT91RM9200芯片。

ARM微处理器负责整个通信转换器的监督与控制；

电源/复位电路为通信转换器提供电源与复位逻辑，其中复位电路在转换器系统崩溃时实现外部复位功能；

备用链路在通信转换器故障时，直接把与仪表通信的RS485&Modbus 接口的两根连线，通过中间继电器的一对常闭触点，自动切换至与主站设备通信的RS485&Modbus接口的总线上，提供临时应急通信措施；

UI电路为用户提示设备运行时的各种工作状态；

SDRAM为系统运行提供内存空间；

NORFLASH作为外部存储器，为系统固化代码、掉电保存数据提供存储空间；

第一RS485&Modbus接口和第二RS485&Modbus接口负责与两个主站设备通信，第三RS485&Modbus接口负责与远程仪表通信；

配置文件模块用于配置设备文件，配置文件包括仪表接口参数，转换器主口参数，转换器从口参数等,配置文件烧录到NORFLASH中保存；

采集数据模块存储主站模块所采集的数据；

采集管理模块管理从站A模块和从站B模块下发的Modbus采集命令，并且管理主站采集的数据，更新采集数据模块内的数据；

Modbus协议栈模块解析Modbus主站模块以及从站A模块和从站B模块的通讯协议；

主站模块采取的是线程不断轮询从站A与从站B的命令区；若发现命令区中存在有效命令，则将此命令下发至Modbus总线；在读取到正确仪表数据后，将返回仪表的数据写入对应从站的数据区。

本发明利用硬件电路和软件电路相结合的方法实现了多主站的RS485&Modbus数据采集，具体而言，本发明具有以下有益效果：

1.实现了两个Modbus主站同时采集一条RS485&Modbus总线上的数据的功能，保证了每个站点采集数据的原始性和真实性，防止数据在中间环节被人为篡改。

2.实现了在通信转换器自身故障情况下，通过备用链路实现自动切换到主站的功能。

附图说明

图1为支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器应用系统的结构示意图。

图2为支持RS485&Modbus多主站数据采集通信转换器的模块结构图。

图3为支持RS485&Modbus多主站数据采集通信转换器的备用链路的结构示意图。

图4为支持RS485&Modbus多主站数据采集通信转换器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图，对本发明进行详细说明，本实施例中ARM微处理器采用AT91RM9200、SDRAM 采用K4S561632C、NORFLASH 采用28F128J3A。

如图1、2所示，一种支持RS485&Modbus多主站数据采集的通信转换器，它包括：ARM微处理器、电源/复位电路、备用链路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口，所述的电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，ARM微处理器的信号输出端与备用链路的信号输入端相连，ARM微处理器还与 UI电路、SDRAM、NORFLASH、第一RS485&Modbus接口、第二RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口相连接，其中第一RS485&Modbus接口和第二RS485&Modbus接口分别用于与两主站相连，第三RS485&Modbus接口与现场仪表总线相连，所述的ARM微处理器包括：配置文件模块、从站A模块、从站B模块、采集数据模块、采集管理模块、Modbus协议栈模块和主站模块，所述的从站A模块和从站B模块分别与第一RS485&Modbus接口和第二RS485&Modbus接口相连，从相应的主站采集命令信号，并将该命令信号下发到采集管理模块，采集管理模块将命令信号下发到主站模块，主站模块将采集到的命令信号通过第三RS485&Modbus接口下发到各个仪表，并从仪表读取相应的请求数据，仪表数据通过采集管理模块返回给采集数据模块，采集数据模块将返回的仪表数据写入对应的从站数据区。 

本实施例中以集散控制系统（DCS）作为主站A，可编程控制器（PLC）作为主站B同时从现场仪表采集数据，仪表1、2 … N等一般为现场仪表，如温度传感器、压力传感器、液位传感器等。

如图3、4所示，当设备上电后，电源/复位电路为整个设备提供工作所需的各路电源同时复位整个系统，运行NORFLASH中所固化软件代码，运行系统。系统正常运行后，根据DCS、PLC以及仪表通讯相关参数，通过人机接口对设备进行基本参数配置，初始化三组RS485&Modbus总线的波特率、数据位、校验位、停止位等通讯参数，配置成功后，UI电路通过指示灯通知用户配置成功。

配置成功后多主站Modbus数据采集通信转换器中的从站模块A与从站模块B，通过不断读取其所对应的RS485&Modbus接口数据，来检测所对应主站是否有命令下发；若检测到主站A有数据下发，将该数据接收后，存放于SDRAM，调用Modbus解析模块，根据《GBZ 19582.2-2004 基于Modbus协议的工业自动化网络规范》对该数据进行解析，若该数据为合法Modbus命令，则将该指令转发至采集管理模块，并等待该命令响应帧；采集管理模块依次将从站模块A与从站模块B所下发Modbus命令转发至主站模块，并等待主站模块返回该命令响应帧；主站模块将从采集管理模块所获取的Modbus命令下发至仪表，等待仪表响应时间之后，从仪表读取该Modbus命令之响应帧，根据《GBZ 19582.2-2004 基于Modbus协议的工业自动化网络规范》所规定校验方法对该响应帧校验成功之后，将此Modbus命令响应帧发送至采集管理模块；采集管理模块将所读取Modbus命令响应帧发送至此帧所对应的Modbus命令下发从站模块；从站模块A与从站模块B将Modbus响应帧发送至各自Modbus主站设备（DCS与PCL），并继续检测对应主站是否有数据下发。

备用链路包括监控电路和继电器，所述的监控电路的信号输入端与ARM微处理器的信号输出端相连，监控电路的信号输出端与继电器的线圈a相连，继电器的常开触点b分别与ARM微处理器和第三RS485&Modbus接口相连接，继电器的常闭触点c分别与第一RS485&Modbus接口和第三RS485&Modbus接口相连结。当系统正常工作时，备用电路中的继电器的常开触点b处于闭合状态，常闭触点c处于断开状态；当系统工作异常时，备用链路中的监控电路接收不到来自ARM微处理器的信号，线圈a断电，继电器的常开触点b断开，常闭触点c闭合，使主站A与现场仪表总线直接连接，保证主站A所对应的DCS设备正常工作，实现数据的正常采集。