（安全技术及工程专业论文）MODBUSHOST+LINK转协议通信器的设计与应用.pdf

f i e l db i l s 慨抽l o l o g yh 鹤b e e nw i d e l yu s c di l lc o n t i ms y s t e md e s i 印o fi n d u s t r i a l m 卸u f a c l u r i n gn o w a d a y s t h et m d i t i o n a lm o d eo fd i s t r i b u t e d 孤dc o m p u t c rl a y e r c d n t m lw a s 掣们u a l l ys u b s t n u t c db yt h em o d e0 fi n t e l l i g e mt c 啪i n a ia n dn e “唧r k 咖t 1 0 1 t h i s 鼬l o g y 咖b i n c d 也cd c v c l 叩m e mo fp r 嘟湖t r 吐卸t o m a n o n 劬m c m 柚d c o m p u t c rn c 柳o r kt e 曲加l o 醪a c 。0 r d i n gt ot h e 喇s t i n g0 fm u l t i - b 惦 锄dd i 疵北n i nt h c 咖u n i c a t i p f o t o l t h i sp a p 玎g 如e r a l i z c dt h cc h a r a 咖o f d i 由6 e r e n tb 峙o m n m u n i c a t i p m t 咖i 卸d 缸a l 弘c dt h ed a t al i n kl a y c ro f 塔0 i 0 i s im o d c a l s o t h c 截j 鼹n 仃o l 删c0 fb i 塔m c d i 岫柚dt h c 咖p a t i b l cd 璐i g no fd i 饪b 聆m p t o lw e m 咖d i e d i nt h i sp a p e l a i m 砒也c 槲n o t c 咖仃o ld c s i 萨o ft h eo 丑跚p p l ys y s t 锄，w h o 伽m u n i t i o n p m t o li sd i f f b r c n c cb c “，a t h eh o 吼a n dt a r 寥tc o m p t e r a m 删t i o np i o 俩l 咖v e 塔i p m s rb 勰c do nu p s d 3 2 3 4 as i n 掣ec h i pc o m p u t e rw 弱p s e n t e d ，i t 伽 m a l i z c dt h e 讹e x c h a n g c 舭e l yb c 铆e 饥h o s t 柚dt a r 辞tc o m p u t c l l l p s d 3 2 3 4 ah 鹤伽ol j a r t r i a l 岫i 龃t i 仰i n t e r f a ，柚dt h m u 曲t h c m a x 2 3 2 嘶蝴t r l e l e 吲c a l l e v c l t or s 2 3 2c l o 鲥c a lk v 吐州c h l c a d t h c 伽m u n i 酬加p i o t o o o l0 叫y e 墙i o np r 仪疑；s 啊h 嬲t w os t 姐d a r ds c l i a li n t 盯f h ，彻e u s c dt oc o n n c c tt 0t h e 枷u s n i a l 衄p 嗽w j t h “：a u t o f 蛔c 孤d 觚o t h c rt ol h c c p m 2 a hp l cw m c h 五mt h c0 m r o nf 缸m c o m m u n i c a 虹蚰p r o t o c o l m 侧蚰讲d s s o fh 弱t h cf i l n d i 0 咀o fm o d b u ss l a v c 洲i 傩柚dh o s t 加哌m 鹤t e f 疏a t i o n ，i t 啪锨哪i l n i c a t c 州t hh o s f 唧u t c r 卸d p l w h i c hf o l i o w e d m 0 1 ) b u s 咖m u n i c 越i 帆p i o t o l锄dh o s tu n k 锄m u n i t i o np i 叭o c o l 化s p e c i i v c l y i ki n f 0 珊a t i 舶mn 屺p l cs u c h 鹞t 锄p e 豫t u 砧，p 陀s s 眦，n o w 觚dt h c n d i t i o fv a l w 勰仃a n 锄m c dt ot h e 唧i s o r y f t w a 圮o fh o 吼姗p u t 盯t i m c l yb yt h c c o m m l l n i 删蚰p m t o c d lc 0 v e 墙i 伽p 砌口e s s o r ，彻da l s oi tc a n 删i z c 砌n o t cc o n n d lo f t h ch o s t 咖p u t 盯s y s t c m p r a c t i c a l l y ，t h ed c s i 弘o ft h e 衄u n i t i 彻p i 砷d l m 吲r s i o np l _ o l s s 叫a c h i c v c dw e nc 丘硎v 如e 鼹 k e yw n r d s ： 丘e 坩b 惦；m o d b u sp r o t o l ；h o s tu n kp r o t 0 0 0 1 湖p a t i b m t y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 南小吲 签字日期：v 闪1 年l 明1 ，1 日 导师签名： 扔红 签字日期：刀衫年二月 致谢 本论文是在我的导师李平康教授的悉心指导下完成的，李教授严谨的治学作 风、无私的敬业精神和旺盛的工作热情是我学习的典范。在此衷心感谢李教授对 我在学业上的指导和生活上的关心。 杜秀霞老师和牛世洲老师在研究工作和学习生活上都给予了我很大的关心和 帮助，在此向杜秀霞老师和牛世洲老师表示衷心的谢意。 感谢在课题进行过程中给于积极帮助过的同专业的邢然、申建德、杨亮、刘 建伟等同学。本文的完成还得到了北京交通大学机械与电子控制工程学院过程控 制实验室李蓓、李继洪、丁健、张伟、国俊丰、张鹏军、赵恒、黄绿娥、金涛涛、 李婷婷等各位硕士同学的帮助，向他们表示感谢。 在攻读硕士学位期间得到了父母、亲人以及朋友们在学习和生活上的大力支 持和无私的帮助，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，谨以此 文献给他们来表达我诚挚的谢意。 l 概述 随着电子技术和计算机技术的不断发展，工业生产过程的控制系统正在向着 智能化、数字化和网络化的方向发展。传统的集散控制方式( d c s ) 和计算机分层控 制方式己经开始采用智能终端与网络结合的总线控制方式。现场总线就是在这种 背景下应运而生的计算机控制中的通信技术。目前现场总线技术已成为过程控制 技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇剧4 】。 1 1 问题的提出 自年代末以来，有几种现场总线技术已经逐渐形成其影响，并在一些特定 的应用领域显示了自己的优势。它们各自具有自己的特点，也显示了较强的生命 力。此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，但 总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公 司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。大干世 界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的 商业利益，预计在今后一段时期内，仍将保持几种总线标准共存，同一生产现场 有几种异构网络互连通讯的局面。目前，有些企业同时使用两种以上的现场总线 技术，由于总线之间协议的差异，导致不能相互通讯，给用户带来极大不便。 在这种情况下，各种通信协议之问如何实现互相通信就成为人们经常遇到的 问题，现场总线的开放性研究亦显得尤为重要。针对特定情况下的需要设计专用 的通信器是解决此类问题的可行途径。 1 2 应用的需求 m o d b u s 应用层协议由美国m 0 d i 咖公司( 现为施耐德电气旗下品牌) 于1 9 7 9 年开发，用于实现其p i c 产品与上位机的通信。由于其简单易用，得到了广大工 业自动化仪器仪表企业的采纳与支持，实际上已成为了业界标准，我国标准化委 员会已将m o d b u s 协议作为我国工业自动化的行业标准，分别制定了 g b z 1 9 5 8 2 1 2 0 0 4 ( m o d b u s 应用层协议) ，g b ，z 1 9 5 8 2 2 2 1 4 ( 串行链路上的 m o d b u s ) 和g b z 1 9 5 8 2 3 2 0 0 叫m o d b u s t c p ) 三个标准【1 7 l 【1 硝埘。m o d b u s 应用 层协议位于0 s i 模型中的第七层，将它嵌入到不同的低层协议中形成了三种具体 的通信方式：m o d b u s 串行链路、m o d b u s p i u s 和m o d b u s - 1 p ，三种通信 网络上的设备可以通过网关来达到数据交换的目的。这些年来以太网的繁荣壮大 使得将m o d b u s 协议嵌入到t c p m 协议中实现m o d b u s 设备间的通信非常必 要，鉴于此，1 9 9 9 年施奈德电气发布了m o d b u s - t c p 协议，使得以太网上的 m o d b u s 设备可以通过5 0 2 端口进行通信。 在某单位试验台供油系统的远程监控设计中，上位机远程监控系统拟采用集 散控制系统d c s 或工控组态软件力控，从现场实时采集数据的下位机采用了 o m r o n 公司的c p m 2 a h 型号的可编程逻辑控制器( p l c ) 。分散控制系统d c s 和安装力控软件的上位机可采用m o d b u s 标准工业通信协议与下位机进行交换 数据，但c p m 2 a h 不支持m o d b u s 通信协议，它遵从o m r o n 公司为该系列p l c 设计的h o s tu n k 通信协议，这就出现了通信协议的不兼容。针对以上问题，本 文开发了一种转协议通信器，该装置既作为m o d b u s 协议的从站，又作为h o s t u n k 协议的主站，成功实现了上位机与下位枫p l c 之间的通信。 1 3 现场总线简介 1 3 1 现场总线的概念 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之问实现双向串行多字 节数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络它在 制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景1 4 l 。 现场总线技术将专业微处理器置入传统的测量控制仪表，使这些仪表各自都 具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把 多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的 多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传 输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统l 硎。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总 线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统c s ) 、可编程控制器口【c ) 在产品的体系机构、功能结构方面产生了较大变革，自动化设备的制造厂家被迫 面临产品更新换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于具备数字通信功 能的智能化数字仪表目前，市场上已出现了一批集检测、运算、控制功能于一 体的变送控制器；集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；带控制模块 和具有故障信息的执行器。 2 1 3 2 现场总线的发展背景与趋势 2 0 世纪末世界上最重大的变化是全球市场的逐渐形成，随着计算机、信息技 术的飞速发展，导致竞争空l i i 加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市 场之中的工业生产必须加快新产品的丌发，按市场需求调整产品的上市时问1 ( t i r t om a f l 【c t ) ，改善质量q ( q u a i i t y ) ，降低成本c ( s t ) ，并不断完善售前售后服务s ( r v i c c ) ，才能在剧烈的竞争之中立于不败之地。追求完善的t q ，c ，s 是一个永 无止境的过程，它能不断地促进技术进步与管理改革。为了适应市场竞争需要， 在追求t q c s 的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。它采用系统集成、信息 集成的观点来组织工业生产。把市场、生产计划、制造过程，企业管理、售后服 务看做要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个 过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。由于它把整个生产过程看作 是信息的采集、传送及加工处理的过程，因而信息技术成为工业生产制造过程的 重要因素。综合自动化就是在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术， 实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增加产量，改善t ，q ， c s 提高企业的市场应变能力和竞争能力。 随着计算机功能的不断增加，计算机与计算机网络系统得到了迅速发展。据 统计，过去二十年中，计算机和通信的年增长率不低于2 5 ，使计算机集成制造 系统的实施具备了良好的物质基础。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统， 要与外界交换信息，要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必 须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实 现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层 现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这样的背景下产 生的 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展，以微处理器芯片为基础的 各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件但不 同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一严重束缚了工厂底层网络的发展。 从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互联网络。把不同厂 商提供的自动化设备互联为系统。这里的开放意味着对同一标准的共同遵从，意 味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互联为一体的通信系统。从这个 意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互联系统。开发这项技术首先必 须制定相应的统一标准。 1 9 8 4 年，美国仪表协会( i s a ) 下属豹标准与实施工作组中的i s 觚p 5 0 开始制 定现场总线标准；1 9 8 5 年，国际工会委员会决定由p i o 啪yw o r l 【i n gg m u p 负责现 3 场总线体系结构与标准的研究制定工作：1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线 ( p r d c e 豁f i e l d b u s ) 标准，简称为p r o f l b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产 品丌发的序幕。 1 9 9 2 年，有s i e m e n s ，r o c c m o u m ，a b b ，f o x b o r o ，y o k o g a 】l ，a 等8 0 家公司 联合，成立了i s p ( i n t c f o p e r a b l es y s t e mp m t o c 0 1 ) 组织，着手在p r o f i b u s 的基础上 制定现场总线标准。1 9 9 3 年，以h o y w e u ，b a i l e y 等公司为首，成立了w o r l d f i p ( f a c i o r yh s 咖m 蛐眦i p i o 沁1 ) 组织，有1 2 0 多个公司加盟该组织，并以法国 标准f m 为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到，现场总线 应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。但总线标准的制定工作并 非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商 业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公 司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。 如德国b o s c h 公司推出的洲c 叻仃o la an e 咐o r k ) 。大干世界，众多行业，需 求各异，加上要考虑己有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计在 今后一段时期内，会出现几种总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连 通讯的局面。如何在现有基础上实现现场总线及其他工业自动化通信总线之间的 相互兼容，搭建起它们之间连接的桥梁，实现在工业组态中多种通信协议的协调 共存成为了我们要研究的一个课题【2 1 l 阎阎。 1 4 课题的研究现状 当前流行总线的设计都是为了满足各自特定的控制需要，因此都占有一定量的 市场份额，任何一种想要兼并其他的一种或几种都几乎是不能的。针对这种现状， 各大公司为推广自己的现场总线标准，在推出各种型号的总线控制器的同时，还 为方便客户组网，纷纷设计了各种具有标准接口和支持总线协议的通信模块，使 通信功能更加专用化、集成化、功能化。通信模块虽然方便了外部设备的接入， 但是还不能实现真正意义的各种协议的兼容，在组网过程中还需要比较复杂的编 程和配置。 文献【2 0 】中采用同一个微处理器访问p i 的m u s 和c a n 总线两种控制器的方 式，实现了两种总线之间的数据交流，这种方法适用于对总线控制操作比较简单 的情况。文献【2 1 】设计的协议转换器实现了c a n 总线节点与上位机的r s 2 3 2 串口 之间的通信。文献【2 2 】【2 3 】都对当前流行现场总线的通信协议和网络模型做了详细 的分析，其中【2 2 】中提出的非周期带宽分配算法和1 2 3 1 中提出的解决数据传输中的 4 时间误差和参数变化问题的方法都很具有建设性意义。 1 5 本论文的主要任务 针对当前现场总线在工业自动化领域应用越来越广泛，但各种总线通信协议 又互不兼容的现状，在分析现场总线的产生、发展背景与趋势，重点研究各种总 线通信协议特点的基础上，提出实现现场总线之间以及与其他工业自动化通信协 议在工业自动化领域设计应用中兼容共存的有效途径。 课题目的是为实现某单位试验台供油系统电控设计中上位机与下位机之间不 同通信协议之间的兼容通信，提出了研究设计一种专用的转协议通信器的方法， 并将之应用于供油系统的电控设计中，完成电控系统的本地及远程操作功能基 于以上目的，论文需要完成以下几项任务： 一、对涉及到的m o d b u s 和h o s tu n k 两种主从式通信协议进行深入研究， 分析两种协议内容的异同点，提出实现通信功能的可行方案，比较方案的优缺点， 选择最佳的执行计划。 二、完成转协议通信器的硬件和软件设计。在一块电路开发板上采用 l l p s d 3 2 3 4 a 单片机并扩展出两个标准接口实现转协议通信器的硬件设计。软件设 计是课题要完成的重点及难点任务，采用计算机程序设计语言实现通信器数据处 理、通信流程的控制。 三、完成上位机组态软件和下位机的逻辑控制功能设计，应用转协议通信器， 实现上下位机之间的数据交换。在上位机中实现供油系统的输入显示和输出控制 功能，包括系统示意图和显示控制两部分。下位机采用可编程控制器实现本地及 远程的控制逻辑。 四、在实验室内完成整套电气控制系统的测试。测试内容包括控制逻辑的正 确性、误操作概率，数据通信的实时性，出现错帧的概率等。 5 2 网络与总线模型分析 7 0 年代以来，计算机工业有了迅速的发展。各主要计算机生产厂家纷纷丌发 出自己的计算机系列。他们各自拥有自己的操作系统和其他软件，以保证同系 列内各种计算机的工作兼容性。随着互连通信要求的不断提出，一些主要的计算 机厂商开始研究开发各自的计算机通信设备、通信协议。这些通信系统都要能实 现本公司生产的计算机系统的互连以完成远程文件传送等功能，构成计算机网络 但是，由于这些特定厂家的通信系统所使用的信息格式和控制机制不一致，因此 彼此之间不兼容，难以实现不同厂家生产的计算机之间的互连操作。这种自成体 系的计算机通信系统称为封闭系统然而，由于计算机种类的日益增多，应用日 益普及，计算机用户已不能满足仅使用一个厂家的计算机设备。用户同时安装多 个厂家的计算机并需要联网构成系统的情况越来越多，人们迫切希望建立一个通 用的通信系统体系结构，使得异机种计算机厂商都执行这些标准化的体系结构和 标准，这一方面便于他们的产品有广阔的销路，另一方面也可以使用户从不同的 制造厂商获得兼容的设备来集成应用系统。人们盼望的这种开放系统也是厂家的 希望的系统，即它的应用发展不应受任何厂家的控制与限制。要实现对这样一个 开放系统的有效配置、操作和部件替换，就必须满足一整套对接口、服务、协议 的规范要求。要实现开放系统，首先就要在公开而统一的规范描述及其实现方法。 在开放系统的环境下，可以用不同厂家的产品作为组成部件来构成系统，也可以 在不同厂家生产的相同功能的产品之间实现互换。这样就为用户采用多家产品集 成系统以及系统的维护带来了很大的方便。同时有利于打破市场垄断，促进技术 与产生的发展i 驯 正是由于以上需求的驱动，促成了0 s i 参考模型的出现1 9 7 8 年国际标准化 组织璐o 建立了一个“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开放系统互连基本参 考模型”和建议草案。1 9 8 3 年成为正式国际标准( i s 0 7 4 9 8 ) ，1 9 8 6 年又对该标准进行 了进一步的完善和补充。 2 1o s i 七层参考模型 2 1 1 七层参考模型的结构 为实现开放系统互连所建立的分层模型，简称为o s l 参考模型其目的是为 异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和 兼容性提供共同的参考。这里所谓的开放，是强调对o s i 标准的遵从。开放并不 6 是指特定的系统实现具体的互连技术或手段，而是对可使用的标准的共同认识 一个系统的开放，是指它可以与世界上任何一个地方的遵守相同标准的其他任何 系统通信。o s i 参考模型( 见图2 1 ) 是在博采众长的基础上形成的系统互连技术 的产物。它不仅促进了数据通信的发展，而且还导致了整个计算机网络的发展。 o s l 参考模型提供了概念性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分为七 个层次。各层协议细节的研究是各自独立进行的。这样一旦导入新技术或提出新 的业务时，就可以把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在直接有关的层内， 而不必改动全部协议。 应用实体。x ” o 应用实体。x ” o 图2 _ - l o 辄七层参考模型 0 s i 参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内功能差别较大时则 分层处理，每层只对相邻的上、下层定义接口。 0 s i 参考模型每一层的功能是独立的，它利用其下一层提供的服务并为其上一 层提供服务，而与其他层的具体实况无关这里所谓的“服务”就是下一层向上一层 提供的通信功能和各层之间的会话规定，一般通信服务原语实现。两个开放系统 中的同等层之间的通信规贝i j 和约定称之为协议。 通常，第1 - 3 层功能称为低层功能( u j 口。即通信传送功能，这是网络与终端 均需具备的功能。第4 7 层功能称为高层功能( 咖，即通信处理功能，通常需由 终端来提供。 2 1 2 参考模型各层的功能 在o s i 参考模型中，每一层都规定了其作用，下面就分别介绍各层的功能 物理层的功能 物理层是设备之间的接口。数据位流通过该接口从一台设备传送给另外一台 设备。物理层应保证数据按位传输的正确性。该层设计时涉及到的问题有：信号“l ” 7 和“o ”的物理表示、一个比特信息的位宽、传输方式、现场总线协议转换的研究与 实现初始连接如何建立、当双方通信完毕时如何拆除这个连接、接插器引脚定义 等。 数据链路层的功能。 数据链路层最重要的功能就是：通过一些数据链路层协议( 即链路控制规程) ， 在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。再具体些，数据链路层主要功能 包括链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、将数据和控制信息区分开、透明 传输以及寻址等。 网络层的功能。 网络层是通信子层与网络高层的界面。它主要负责控制通信子网的操作，实 现网络上任意结点的数据准确无失真地传输到其它结点网络层决定了主机与子 网的接口，该层一般给传输层提供( 给主机) 两种类型的接口：数据报和虚电路。网 络层的任务就是实现这两种服务，以及解决由此引起的路径选择、阻塞和死锁等。 传输层的功能。 传输层的功能主要就是为了弥补用户对网络的要求，以及网络可向用户提供 的服务之间的差异。用户无需了解通信的细节，就获得相对稳定的数据传输服务。 传输层服务包括标识和维护运输连接( 建立和释放连接，以及选择服务质量) ，提供 流量控制和常规数据，加速数据的传输。传输层实体可以根据用户对服务质量的要 求( 包括用户对传输延迟、吞吐量等方面的要求) 决定是否采用分流、复用等技术 会话层的功能。 会话层与传输层有明显的区别传输层协议建立和维护端一端之间的逻辑连 接。传输服务简单，目的是提供一个可靠的传输服务。但是由于传输层所使用的 通信子网类型很多，并且网络通信质量差异很大，这就造成了传输协议的复杂性 而会话层在发出一个会话协议数据单元时，传输层可以保证将它正确在传送到对 等的对话实体，从这点看会话协议得到了简化。但是为了达到为各种应用进程服 务的目的，会话层定义的为数据交换用的各种服务是非常复杂的。 表示层的功能。 表示层位于o s i 参考模型的第六层。它的低五层用于将数据从源主机传到目 的主机，而表示层则要保证所传输的数据经过传送后其意义不变。表示层要解决 的问题是：如何描述数据结构并使之与机器无关。表示层的主要功能是通过一些 编码规则定义在通信中传送这些信息所需要的传送语法表示层提供了两类服务： 相互通信的应用进程间交换信息的表示方法与表示连接服务。 应用层的功能。 应用层是0 s i 参考模型的最高层它为用户的应用进程访问o s i 环境提供服 b 务。o s i 关心的主要是进程之间的通信行为，因而对应用进程所进行的抽象只保留 了应用进程与应用进程问交互行为的有关部分。这种现象实际上是对应用进程的 某种程序上的简化。经过抽象后的应用进程就是应用实体a e 。对等应用实体问的 通信使用应用协议。应用协议的复杂性相差很大，有的仅涉及到两个实体，有的 涉及到多个实体，而有的应用协议则涉及到两个或多个系统。与其它六层不同， 所有的应用协议都使用一个或多个信息模型来描述信息结构的组织。低层协议实 际上没有信息模型。因为低层没有涉及到表示数据结构的数据流。应用层要提供 许多低层不支持的功能，这使应用层变成为o s i 参考模型中最复杂的层次之一 2 2 总线模型与功能 2 2 1 总线模型 从前面的介绍中我们可以看到，具有七层结构的o s i 参考模型可支持的通信 功能是相当强大的，作为一个通用的参考模型，需要解决各方面可能遇到的问题， 需要具备丰富的功能。作为工业控制现场底层网络的现场总线。要构成开放互连 系统，应该如何选择通信模型? 是采用完全型还是简化型? 是否需要实现o s i 的 全部功能? 是否要采用那样复杂的协议? 具有七层o s l 参考模型是否适应工业现 场的通信环境? 这正是现场总线技术形成的过程中必须考虑的重要问题。 工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常是相当零散 地分布在一个较大的范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点 面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但是实时性、快速性要 求很高。如果按照七层模式的参考模型，由于层阀操作与转换的复杂性，网络接 口的造价与耐间开销显得过高。为了满足实时性要求，也为了实现工业网络的低 成本，现场总线采用的通信模型大都在0 s i 模型的基础上进行了不同程度的简化。 图扛- 2 现场总线体系结构模式 9 典型的现场总线协议模型如图2 - 2 所示。它采用了o s i 模型中的三个典型层： 物理层、数据链路层和应用层。在省去了中l b j3 6 层后，考虑现场总线的通信特点， 设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点， 也满足了工业现场应用的性能要求。它是o s i 模型的简化形式，其流量与差错控 制在数据链路层中进行。因而与o s i 模型不完全保持一致。总之，开放系统互连 模型是现场总线技术的基础。现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则， 又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。 2 2 2 现场总线的功能和内容 1 物理层口h y s i c a lk y c r ) 物理层用于实现现场物理设备与总线之闯的连接，为现场设备与通信传输媒 体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的 物理信号。 物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理 信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来 自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用。 当物理层从数据链路层接收到数据信息时，需按有关现场总线技术规范，对 数据帧( 数据单元) 加上前导码和定界码，并对其实行数据编码。再经过发送驱动器， 把所产生的物理信号在一个节点处发送到总线的传输媒体上去。另一方面，它又 从总线上接收来自其他节点的物理信号，对其除去前导码，定界码，并进行解码 后，把数据信息送往数据链路层。 现场总线物理层规定了传输介质( 双绞线，电缆，光纤，无线介质等) 、传输速 率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、信号类型、总线布线方式、总线向 现场设备供电等问题。物理层作为电气接口当然还应该具备电气隔离，信号滤波 等功能。 值得说明一下，在不同传输速率下，信号的幅度、波形与传输介质的种类、 导线屏蔽、传输距离等密切相关。由于要使挂接在总线上的所有设备都满足在工 作电源，信号幅度，波形等方面的要求，必须对在不同工作环境下作为传输介质 的导线横截面，允许的最大传输距离等做出规定线缆种类，线径粗细不同，对 传输信号影响也不同。另外，现场总线上所连接设备分本安型和非本安型两类现 场总线网络，它们均各有规定。 2 数据链路层u 。d 口bi j n l 【l a y c r ) 数据链路层位于物理层和应用层之间，所以d u ，规定了物理层和应用层之间 l o 的接口，如数据结构、从总线上取放数据的规则、传输差错识别与处理、噪音检 测、多主站使用的规范化等；通过帧数据校验来保持信息的正确性、完整性。对 每帧数据增加二个字节校验码，它是通过对所有帧数据按一个多项式计算得到的。 d l l 还控制对传输介质的访问，以满足控制系统对实时性的要求。 数据链路层一般又可分为逻辑链路控制子层( u c ，l o g i c a il j n 】【c c m t r 0 1 ) 和媒 体访问控制子层( m a c ，m e d i u m 舭e 龉。叩t m l ) 两部分。u c 从其上层取得数据后， 构造成帧，完成通信链路的建立、拆除及差错、流量控制等：m a c 主要完成网络 存取控制等。 3 现场总线应用层 现场总线应用层为用户层提供存取现场总线通信环境的手段，定义允许进程 问( 设备间) 相互通信的协议。为用户提供一个简单的接口，定义了如何读、写、解 释和执行一条信息或命令定义信息的格式包括询闯信息，回答信息；定义传输 信息的方式一周期式，立即响应式，一次性方式或使用者请求方式等：管理操作 规定了如何初始化网络指定信号，地址分配，时钟同步，连接功能块的输入 输出等。通过出错统计控制网络运行及检查有无新挂网站或者老站退出。 ： 基金会现场总线( f d 的应用层包括两个子层：现场总线访问子层( f a s ) 和现场 总线信息规范子层( f m s ) 。f a s 与f m s 的任务是完成一个进程应用到另一个应用 进程的描述、实现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层 的开放性。f a s 有三种功能，f m s 有三种服务，具体请参看f f 现场总线介绍。 4 现场总线用户层 现场总线用户层在现场总线结构中处于最高层，他的标准化状况将决定控制 系统的真正开放程度和相互操作程度。如果说物理层、数据链路层、应用层属于 通讯系统，那么加上应用层以后便构成了现场控制系统 现场总线用户层定义在现场设备内完全分散的数据采集和控制功能，它定义 驻留在每个现场测量和控制设备中的数据库结构。现场总线用户层的功能允许供 应商用预先定义好的算法构建测量和控制产品，他只要把组态特定控制应用的数 据库下装到设备中用户可以直接使用这些带有预定义算法的相互协作的专用功 能块。另外，用户层也定义入机接口、显示功能和设备类型，用户层使用i s p 规 范中的设备描述语言d l ) 方便地为新设备定义通讯规范。 2 3 总线的转协议通信实现分析 设计支持两种或两种以上通信协议的转协议通信器是实现现场总线通信互相 兼容的一种可行途径转协议通信器必须要解决两个问题：物理接口的兼容和数 1 1 据链路层的处理。举个例子，要实现两种协议之间的数据传输，就好像会说不同 语言的两个人之间的谈话，转协议通信器就好比是个翻译，他需要精通两个人的 语言，而且要和两个人都进行对话。总线的物理接口就好像是人的嘴和耳朵，用 来接收和发送数据，不同的现场总线都有自己独特的物理接口，从接线端子数， 电平高低到电平的传输方式都各不相同，但由于总线都是以串行的方式传输数据， 在硬件设计中需要采用两种不同的电气接口并不难实现。通信协议就类似人们的 语言，转协议通信器要实现的功能就是把一种通信协议要表达意思。翻译”成另 一种协议下的形式再传输出去。数据帧格式的处理( 也就是翻译的过程) 是转协 议通信器设计的重点。 。 本文中设计的m o d b u s h o s tu n l 【转协议通信器涉及到的两种通信协议都 是采用了标准的e 陡r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口，因此转协议通信器扩展出两个标准的 串口即可两种通信协议都采用主从式结构，网络中一般都只有一个主站和多个 从站，采取主站轮询从站的方式通信，从站只在收到命令后才做出相应的回应， 通常不会自行发起通信。但是两种协议采用的数据帧格式存在着很大的差异，且 m o d b u s 协议的r 1 哪模式下传输的是二进制数，而h 0 s tu n k 协议中传输的使 a s c 码。针对以上的异同点分析，转协议通信器的设计可采用以下两种方案实现： 一、转化数据帧格式；二、分时刷新数据存储区。 a | 上 笋刮然徽孥煺 下 位 位 丽uh 0 s t l 帐回应转k 匦 、 机机r h 换成m o d b u s 回应 v 一回应 n n回应 一 一 图2 _ - 3 转化数据帧格式 如图2 _ - 3 所示，转换数据帧格式的过程就是将收到的从上位机发来的每一个 m o d b u s 协议主站命令校验正确后，去掉目标地址、c r c 校验码等信息，在把功 能码，数据信息转换成h o s t 加q k 协议下的表达形式，最后加上起始码，目标地 址、终止码和f ( = s 校验码等，发送给下位机；等待直到收到下位机的回应后，执 行以上相反的过程，把正确的回应的数据信息发送给上位机。由于两种通信协议 传输数据的格式不同，且m o d b u s 协议支持对数字量和模拟量的访问，而h 0 s t u n k 协议只支持对数据区字节的访问，所以m o d b u s 数字量的读写命令很难以 h 0 盯咖【协议命令的形式表达出来。 转协议通信器 m o db u s 协议 h o s t l l 殆 厕， m o d数h o s t忒强i 数据区l h b u s据l i n k叫下位机 l 从站区 主站 u 协议 图2 _ - 4 分时刷新数据存储区 正是因为方案一中数据格式转换的难度很大，在实际的设计中采用了较为容 易实现的第二种方案。首先，转协议通信区中要划分出一块数据区，用来存储通 信中设计到的所有数字量和模拟量；再以分时工作的方式实现上下位机与通信器 的通信，分别刷新数据区的数据，最终达到上下位机中数据同步变化的目的。相 比第一种方案，这种方法的难点在于通信时序的控制和数据的存储，具体的实现 过程将在第五章中介绍。 2 4 本章小结 本章列出了当前流行的现场总线模型与i s 0 加s i 七层网络模型的对应关系， 重点分析了转协议通信器中涉及到的m o d b u s 和h o s tu n l 【协议各层的实现方 式，为转协议通信器的框架设计提供了思路。 3m o d b u s 通信协议 3 1m o d b u s 协议简介 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器 相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成 为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进 行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络 进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备 的请求，以及怎样侦测错误并记录它制定了消息域格局和内容的公共格式 当在m o d b i j s 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备 地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将 生成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的 消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解 决节地址、路由路径及错误检测的方法。 标准的m o d b u s 口是使用i 略2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、 电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由m o d e m 组网 控制器通信使用主一从技术，即仅某一设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) 其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据做出相应反应。典型的主设备： 主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独 通信，从设备返回一个消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回 应。m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、 所有要发送的数据和错误检测域。 从设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回 的数据和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命 令，从设备将建立一个错误消息并把它作为回应发送出去。 3 1 2 在其它类型网络上转输 1 4 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始化和其它控 制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。 提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，m o d b u s 协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对等”。 如果某一控制器发送一个消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。 同样，当控制器接收到一个消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控 制器 3 1 3 查询一回应周期 图3 _ - lm o d 默j s 的查询i 国应周期 ( 1 ) 查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了 从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码0 3 是要求从设备读保持寄存器 并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及 要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方 法。 ( 2 ) 回应 如果从设备产生一个正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中 的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：如寄存器值或状态如果 有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含 了描述此错误信息的代码错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用 3 2m o d b u s 协议的两种传输方式 控制器能设置为两种传输模式( a s c 或i 删) 中的任何一种在标准的 m o d b u s 网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数( 波特率、校验方 式等) ，在配置每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选 择相同的传输模式和串口参数。 a s c 模式 。 釜i 茬篱l 箍l 擘i i 紫l 嚣l 臀怿卜行址i 代码l 数量i 1 1 i n i 字节l 字节i “i 。 r t u 模式 i 地址 功能数据 数据1数据nc i 屺低字 c r c 高字 l 代码 数量 节节 所选的a s c 或删方式仅适用予标准的m o 明u s 网络，它定义了在这些 网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解 码。 在其它网络上( 如m a p 和m o d b u sp l 惦) m o d b u s 消息被转成与串行传输 无关的帧。 3 2 1a s c i j 模式 当控制器设为在m o d b i j s 网络上以a s c ( 美国标准信息交换代码) 模式通 信，在消息中的每个8 b i t 字节都作为两个a s c 字符发送。这种方式的主要优点 是字符发送的时间间隔可达到