李英奇，吳桂初

(溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州325000)

“十二五”規(guī)劃綱要將“智能電網(wǎng)”正式納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，特別提出“現(xiàn)代電網(wǎng)體系要適應(yīng)大規(guī)?？鐓^(qū)輸電和新能源發(fā)電并網(wǎng)的要求。進一步擴大輸電規(guī)模，完善主干電網(wǎng)，依托信息、控制和儲能等先進技術(shù)，推進智能電網(wǎng)建設(shè)?！彪娋W(wǎng)主要包含了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和其他輔助部分[1]。低壓的配電和用電端是智能電網(wǎng)的末端，是電能最主要的消耗部分，大約占到80%。因此智能電網(wǎng)的建設(shè)要求配電和用電所需要的低壓電器必須具備數(shù)據(jù)通信與采集等智能化特性[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)外許多大型低壓電器設(shè)備廠的產(chǎn)品都支持Modbus總線標準。但是，智能電網(wǎng)的信息化建設(shè)利用的是以太網(wǎng)等方式，而非現(xiàn)場總線技術(shù)[3]。這就要求數(shù)據(jù)能在以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線之間進行交互。

國外的幾大電器也都有相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，但是價格昂貴。國內(nèi)目前也有些類似的產(chǎn)品出現(xiàn)，相對于國外的產(chǎn)品，雖然在價格上有極大的優(yōu)勢，但是通信速度較慢，只能簡單地實現(xiàn)單鏈路的連接，功能并不完善。

開發(fā)一款價格低廉、性能優(yōu)越的網(wǎng)關(guān)設(shè)備是智能電網(wǎng)建設(shè)過程中一個必要的需求。因此提出了一個在STM32F107芯片上實現(xiàn)Modbus-Modbus TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)化的解決方案，能在成本上和性能上同時滿足需求。

1 Modbus協(xié)議

Modbus是Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年開發(fā)的一項在OSI模型第7層的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，在過去幾十年已被大量地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的開放的、標準的、免費的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[4]。它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信：在串行鏈路上取決于TIA/EIA標準(232-F和485-A)，在TCP/IP上取決于 IETF標準(RFC793和RFC791)。

1.1 串行鏈路的通信

Modbus在串行鏈路采用主/從方式的通信協(xié)議，即Modbus通信由主站發(fā)起，從站在未收到主站請求時，不能主動發(fā)起數(shù)據(jù)。Modbus在串行鏈路上的通信幀包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和校驗域。

Modbus在串行鏈路上的通信幀分為RTU和ASCII兩種模式[5]，其中RTU模式通信幀中的8 bit數(shù)據(jù)包括2個4 bit十六進制字符，相對于ASCII模式，在表達相同的數(shù)據(jù)信息時RTU需要的位數(shù)較少，在相同的傳輸速率下RTU有更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

在RTU傳輸模式中，用3.5個字符的時間間隔將報文幀區(qū)分開，幀內(nèi)兩個字符之間的間隔必須小于1.5個字符時間，當(dāng)傳輸速率大于19 200 b/s時，可以采用1.750 ms的固定值替代3.5個字符時間作為幀間的延遲時間，用750 μs替代1.5個字符時間作為字符超時時間。

1.2 Modbus TCP/IP應(yīng)用數(shù)據(jù)單元

在基于TCP/IP的Modbus中，每個應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的結(jié)構(gòu)包含Modbus應(yīng)用報文頭、功能碼域和數(shù)據(jù)域。其中MBAP(Modbus Application Protocol Header)的報文頭長度為7 B，該報文的字段如表1所示。

1.3 Modbus串行鏈路和Modbus TCP/IP轉(zhuǎn)換

要使在串行鏈路傳輸?shù)腗odbus數(shù)據(jù)包能在以太網(wǎng)進行無阻礙、準確的傳輸，必須對串行鏈路上的數(shù)據(jù)包或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進行處理、轉(zhuǎn)化。一般的辦法是以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)量較小的串行鏈路上的數(shù)據(jù)包封裝在TCP/IP幀中。由于Modbus在串行鏈路中的幀格式不同于在TCP/IP中傳輸?shù)膸袷?，因此在進行TCP/IP封裝前必須將Modbus在串行鏈路中的幀格式轉(zhuǎn)換成Modbus TCP/IP應(yīng)用數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)。同樣地，對于在以太網(wǎng)上輸出的Modbus數(shù)據(jù)包，必須先對TCP/IP數(shù)據(jù)包進行拆包，之后再對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行幀格式轉(zhuǎn)換，將Modbus TCP/IP的ADU轉(zhuǎn)換成串行鏈路上的ADU，最后才能在串行鏈路上進行通信。

2 系統(tǒng)硬件電路

STM32系列芯片是意法半導(dǎo)體專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片。其中STM32F107互連型系列微控制器內(nèi)部集成高性能以太網(wǎng)模塊，支持通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)?；赟TM32F107的硬件電路如圖1所示。

圖1 STM32F107的硬件電路

整個系統(tǒng)電路包含STM32F107最小單元、以太網(wǎng)接口電路、電平轉(zhuǎn)換電路和電源電路四部分。

STM32F107最小系統(tǒng)單元包括復(fù)位電路、晶振電路和程序下載電路。晶振電路中，選用25 MHz的無源器件作為系統(tǒng)時鐘源，同時通過配置芯片的相關(guān)寄存器使系統(tǒng)工作在最高的72 MHz。

在以太網(wǎng)接口電路中由于STM32F107內(nèi)部已經(jīng)集成了以太網(wǎng)模塊，因此只需要增加一個DP83848物理層芯片并通過RMII連接方式，再接上標準的RJ45接口，就能形成10/100 M以太網(wǎng)電路。

Modbus在串行鏈路中一般采用RS485通信接口，它是一種差動半雙工的通信方式，而STM32F107自帶的是USART異步串行通信接口，因此通過SP3485電平轉(zhuǎn)換芯片將STM32F107芯片的USART接口轉(zhuǎn)換成RS485接口，才能與工業(yè)設(shè)備進行信息通信。

STM32F107等芯片需要的工作電源一般都在3.3 V，而電源變壓器輸出的電壓為5 V，這就需要將輸入的5 V電源電壓轉(zhuǎn)成3.3 V，用來提供給芯片工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分的關(guān)鍵主要在于μCOSII移植、兩個事務(wù)處理任務(wù)和多線程與緩沖區(qū)設(shè)計。

3.1 μCOSII移植

μCOSII是一種專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計的源代碼公開、可移植、可固化、可裁減、搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，自1992年發(fā)布以來就獲得廣泛的使用。在將μCOSII移植到STM32的固件平臺時，必須對其進行修改、編寫。其中主要的內(nèi)容有：(1)基本配置和定義。包括與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和定義棧的增長方向。(2)編寫與處理器相關(guān)的函數(shù)。包括運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數(shù) OSStartHighRdy()、任務(wù)優(yōu)先級切換函數(shù) OSCtxSw()、中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSInitCtxSw()和時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR()。(3)編寫與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。

在 μCOSII中的 OS_CPU_C.C的文件中包含 6個與CPU相關(guān)的函數(shù)，其中在移植中必不可少的任務(wù)是堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()。

3.2 事務(wù)處理任務(wù)

μCOSII是一個多任務(wù)的實時操作系統(tǒng)，最多可以管理64個任務(wù)，根據(jù)實際需求創(chuàng)建兩個任務(wù)：

與以太網(wǎng)通信的TaskModbusTCP任務(wù)一：系統(tǒng)開始運行后，任務(wù)一處于空閑狀態(tài)，同時監(jiān)聽以太網(wǎng)的502端口，此端口是Modbus TCP/IP的默認端口；當(dāng)端口接收到有效數(shù)據(jù)時，程序?qū)ζ溥M行拆包分析后，再經(jīng)過μCOS的郵箱機制將數(shù)據(jù)發(fā)送給任務(wù)二，之后任務(wù)一進入等待響應(yīng)狀態(tài)，同時開啟超時響應(yīng)定時器；當(dāng)在超時響應(yīng)時間內(nèi)接收到郵箱中來自任務(wù)二的響應(yīng)數(shù)據(jù)時，任務(wù)一進入到處理應(yīng)答狀態(tài)，對其數(shù)據(jù)進行打包封裝等處理后送至502端口，然后重新進入到空閑狀態(tài)。至此完成一次正確的Modbus TCP/IP的通信過程。其任務(wù)的狀態(tài)流圖如圖2所示。

與從站通信的TaskMastertask任務(wù)二：系統(tǒng)開始運行后，任務(wù)二進入空閑狀態(tài)；當(dāng)μCOS的郵箱收到數(shù)據(jù)后，任務(wù)二提取郵箱中的數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)有效性分析，然后再對數(shù)據(jù)添加CRC校驗，使數(shù)據(jù)符合Modbus在串行鏈路上的通信幀，接著通過RS485接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，同時超時響應(yīng)定時器開啟，任務(wù)二進入等待響應(yīng)狀態(tài)；若在超時響應(yīng)時間內(nèi)接收到從站的響應(yīng)，則進入應(yīng)答處理，并對數(shù)據(jù)進行處理分析。如果數(shù)據(jù)正確且有效，則通過郵箱發(fā)送給任務(wù)一，然后進入空閑狀態(tài)中等待下一次的郵箱數(shù)據(jù)。其任務(wù)的狀態(tài)流圖如圖3所示。

表1 MBAP報文頭的字段

圖2 任務(wù)一TaskModbusTCP狀態(tài)流圖

圖3 任務(wù)二TaskMastertask狀態(tài)流圖

3.3 多線程與緩沖區(qū)

由于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信速率普遍較低，當(dāng)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)進行交互時，通信速率受限于工業(yè)控制端的速率，采用多線程與存儲池相結(jié)合的技術(shù)來匹配現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)的傳輸速率。即當(dāng)多線程的類似指令連接時，網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)場總線端只發(fā)送一次指令，將得到的數(shù)據(jù)放到存儲池中，然后再解析給各個線程。

4 測試結(jié)果

測試中，采用環(huán)宇集團的HUM8D-400型和HUM8D-225型塑料外殼智能斷路器作為Modbus的從站設(shè)備，利用第三方軟件Modbus Poll模擬主站設(shè)備如圖4所示。

圖4 Modbus Poll測試界面

對于以太網(wǎng)通信的可靠性的重要參數(shù)有：IP包傳輸延時、IP包的誤碼率、IP包的丟失率等[6]。然而現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)性能與以太網(wǎng)有很大的不同，其主要指標包含傳輸距離、傳輸速率、丟包率等，同時這些指標隨著負載的變化而變化，因此本文對于以太網(wǎng)到現(xiàn)場總線的通信性能從不同的負載和傳輸速率方面對IP包的響應(yīng)時間、誤碼率和丟失率進行測試。其中數(shù)據(jù)接收準確性測試參數(shù)為500 000次數(shù)據(jù)指令，RS485接口通信距離100 m；響應(yīng)時間為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從發(fā)送到接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包的整體時間，包括設(shè)備的響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)包在線路的傳輸時間。單線程測試結(jié)果整理后如表2所示。多線程存儲池結(jié)果整理后如表3所示。

表2與表3的測試結(jié)果說明，網(wǎng)關(guān)能夠很好地保證數(shù)據(jù)通信的準確性和可靠性。同時響應(yīng)時間受網(wǎng)關(guān)波特率的制約，提高波特率能有效地提高響應(yīng)時間。同時利用多線程與存儲池技術(shù)，可以大大減少單線程情況下運行多指令所消耗的時間。

利用STM32所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)不僅能夠有效地進行通信，同時對比于目前市場上售價高達數(shù)千元的類似設(shè)備，僅需要不到百元的成本，大大提高了其推廣的可能性。

當(dāng)前的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備在通信中基本都能夠支持Modbus，通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交互，為遠程的遙信提供有力的支持。

表2 單線程測試結(jié)果

表3 多線程存儲池實驗測試結(jié)果

[1]國網(wǎng)能源研究院.2012國內(nèi)外智能電網(wǎng)發(fā)展分析報告[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]尹天文.智能電網(wǎng)用戶端[J].低壓電器，2012(5)：59-64.

[3]何瑞華.我國新一代低壓電器發(fā)展與展望[J].低壓電器，2012(1)：1-6.

[4]華镕.從Modbus到透明就緒：施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計、安裝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]Modicon Inc.Modicon Modbus protocol reference guide[EB/OL].[2002-7].www.schneider-electric.com.

[6]李揚繼，范寶峰，楊洋.網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)分析[J].網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)，2006，25(10)：34-35.