基于MODBUS TCP协议的船用以太网通信系统设计

2018-04-23 03:53杨明超

船电技术 2018年3期

郑轶，杨明超

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

随着舰船设备的不断更新换代，对舰船的操作与控制也在逐步向集中式的方向靠拢。艇员依靠集中控制室的计算机便可观测舰船各设备的状态，并可通过计算机向各设备发送指令。舰船设备的状态参数的获取与指令的发送，需要船用通信系统的良好支持。目前应用于舰船的通信方式主要包括CAN通信及以太网通信，其中，以太网通信速率较快，数据传输稳定，不易受到外部干扰，适合大量数据参数的循环上传。

1 概述

1.1 MODBUS协议概述

MODBUS协议由Modicon在1979年发明，是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它定义了一个与基础通信层无关的协议数据单元（PDU），即PDU=MODBUS功能码+数据域。在某些特定总线或网络上，MODBUS协议能够映射在应用数据单元（ADU）上，即ADU=地址域+PDU+校验码，其通用帧格式如图1所示。

图1 MODBUS通用帧格式

目前MODBUS协议主要应用于以太网通信（MODBUS TCP）、串口通信（MODBUS RTU）及高速令牌传递网络（MODBUS PLUS）。在不同类别的网络中，对ADU的封装也存在差异，以MODBUS TCP/IP为例，其ADU的组成如图2所示。

图2 MODBUSTCP/IP帧格式

可以看出，在MODBUS TCP协议中，ADU=MBAP+PDU。MBAP是TCP/IP协议上使用的一种专用报文头，用以识别ADU。MBAP报文头由7个字节组成，其格式如下表1所示。

表1 MBAP报文头组成

从表格中可以看到，由于MBAP中含有长度信息，接收者能够清晰的识别报文的边界，因此在MODBUS TCP协议中，其ADU不再含有校验码。

1.2 MODBUS TCP通信系统模型

MODBUS TCP通信系统模型一般基于客户机/服务器模型搭建，如图3所示。

图3 MODBUS TCP通信系统客户机/服务器模型

客户机/服务器模型基于4种类型的报文：请求、指示、响应和证实。客户机向服务器发送请求指令（MODBUS请求），服务器接收到来自客户机的指令（MODBUS指示）后，对该指令进行响应（MODBUS响应），即按照约定的协议内容向客户机发送数据，并由客户机对发送的数据进行辨识和处理（MODBUS证实）。

MODBUS TCP通信系统可以包括多个MODBUS客户机和服务器，其他互联设备也可通过客户机或服务器TCP/IP网关接入该通信系统，如图4所示。

图4 MODBUS TCP通信系统示意图

1.3 船用以太网通信系统

目前广泛使用的船用以太网通信系统多采用“一主多从”的构建思路，即由集中控制室的计算机担任主机，依次向各设备轮询数据，如图5所示。

图5 船用以太网通信系统结构示意图

采用集中式轮询方式的好处在于可以分时段向各设备发送数据请求，一来可以有效利用集控室计算机的系统资源，二来可以避免各设备同时返回数据造成通信线路堵塞。

2 设计实现

2.1 船用MODBUS TCP通信系统总体框图

图6 船用MODBUS TCP通信系统结构

结合图3、图4和图5可以看出，船用以太网通信系统可以按照MODBUS TCP通信系统结构进行搭建，如图6所示。

将集控室计算机作为客户机，各设备作为服务器，由集控室计算机向各设备发送轮询请求，并接收返回数据。以客户机与其中一台服务器为例，其信息交换示意图如图7所示。

图中，socket()函数用于创建套接字，bind()函数用来绑定一个端口号到该套接字，并在套接字与所指定的端口号之间建立一个连接。socket初始化完成后，服务器端需要使用listen()函数将状态置为侦听，才能够接收到来自客户机的连接请求。此时，若客户机需要与服务器进行数据交换，则需要使用connect()函数来指定套接字号、服务器IP地址和端口号，服务器在接收到客户机的连接请求后，需要使用accept()函数指定之前在listen()函数中所指定的套接字号，用以确定当前访问的客户机。在连接完成后，客户机可以使用send()函数向服务器发送MODBUS请求，服务器需要使用recv()函数进行接收，再使用send()函数向客户机发送MODBUS响应。值得注意的是，客户机在发送一个MODBUS请求后，无需等待服务器端的响应便可以继续发送下一个MODBUS请求。

图7 MODBUS TCP通信系统信息交换示意图

2.2 MODBUS服务器端建立

MODBUS服务器端的主要处理流程如图8所示。

程序在初始化完成后即进入等待，在接收到来自客户机的请求PDU后，对该PDU进行检验，根据检验情况决定生成MODBUS应答或是MODBUS异常，并将该应答或者异常作为响应发送给客户机，其详细设计分述如下：

图8 MODBUS服务器端信息处理流程图

1）初始化

与其他基于TCP/IP协议的设备类似，作为服务器端程序，MODBUS服务器端首先需要进行初始化，其核心内容是设置并绑定自身IP。建立服务器函数CreateServer()的核心代码如下：

接下来需要将服务器置于侦听状态。MODBUS服务器端应支持多个并发的客户机同时连接。在设计时，采用多线程策略可以实现该项功能，即每当侦听到新的连接请求时，便建立一个新的线程来进行操作。侦听函数TcpListen()的核心代码如下：

2）生成MODBUS应答/异常

对于并发的连接，在接收到来自客户机的请求时，服务器端将在对应的线程内对请求进行处理。根据MODBUS协议的MBAP报文头判断请求类别，再按照约定的协议内容向客户机返回数据。响应函数ClientService()的核心代码如下：

2.3 MODBUS客户端建立

MODBUS客户端的主要处理流程如图9所示。

图9 MODBUS客户端信息处理流程图

程序在初始化完成后即进入等待，根据需求发送请求PDU，同时监测是否收到响应PDU，根据检验情况决定生成MODBUS肯定证实或是MODBUS否定证实，并将该证实发送给用户应用，其详细设计分述如下：

1）初始化

MODBUS客户端初始化的主要内容是建立客户机与服务器端的连接。使用Socket类中的Connect函数可以完成这一目标。连接函数TcpConnect()的核心代码如下：

2）发送MODBUS请求

可采用多种策略发送MODBUS请求，最为常用的是使用timer定时器作为触发，定时发送。发送函数timersend_Tick()的核心代码如下：

3）处理数据并生成肯定/否定证实

与服务器端的处理方式类似，接收函数根据MODBUS协议的MBAP报文头判断数据类别，再按照约定的协议内容解析数据。接收函数ReceiveMsg()的核心代码如下：

3 通信测试

3.1 MODBUS服务器端测试

根据第二章的内容，采用C#编写MODBUS服务器端测试程序，使用0x03功能码进行测试，起始地址为40101，大端模式。其主界面如图10所示。

测试时使用TCP/UDP调试工具模拟MODBUS客户端。运行MODBUS服务器端测试程序，单击程序中的“开启服务器”按钮，并在TCP/UDP调试工具中设置本机IP为192.168.163.1，端口为9000，连接类型为TCP，单击“连接”按钮。此时调试工具已与本机连接。按照MODBUS协议，其MODBUS请求格式及数值如表2所示。