摘要：深入研究了modbusrtu协议和modbustcp协议,以uc7402-lx为开发平台,设计了一款linux多功能网关,用于解决工业以太网环境下串口通信设备的“信息孤岛”问题。
1、引言
随着世界范围内网络和信息技术的日趋成熟，在工业通信和自动化应用中日益采用以太网和tcp/ip协议作为zui主要的通信接口和手段，向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。然而，采用串口进行通信的现场设备仍然大量存在，且必将在相当长的一段时间内存在。因此，在串口设备和工业以太网之间就需要有一个桥梁，来消除工业现场中的“信息孤岛”。
modbus/tcp是modbus的延伸，它基于以太网和标准tcp/ip协议，直接应用第四层。它定义了一个结构简单的、开放和广泛应用的传输协议，用于主从式通信。modbustcp/ip基本上用简单方式将modbus帧嵌入tcp帧，是一种面向连接的传送，它需要响应。在tcp帧中使用开放的modbus提供了一种系统规模可伸缩的方案，由10个节点到100个网络节点。modbustcp/ip在工业现场得到了广泛的应用，是目前工业以太网通信的事实上的标准。
本文以moxa的嵌入式工控机uc7402-lx为平台，在深入研究modbus通信协议的基础上，设计了一款多功能网关，既可以实现modbus/tcp与modbus/rtu的双向转换，同时也可以实现modbus/tcp与自定义串口通信协议的双向转换。
2、硬件平台简介
moxauc7402-lx采用inxscaleixp-422266mhz处理器，内嵌apache网页服务器支持php和xml，低功耗和无风扇的设计使其结构紧凑，非常适合在工业环境当中使用。moxauc7402-lx配备有2个10/100mbps网口和8个可通过软件设置的rs-232/485/422串口，并预装有linux系统。
3、modbus协议
modbus是modicno公司zui先倡导的一种通信协议，经过许多公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议，由于其功能比较完善而且协议开放，因此，被广泛应用于工业现场，在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信。它连接单个分散的测量控制设备，使之可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统，具有分散控制、使用简单、简化系统结构、数据易于处理、节约硬件设备、易于安装和维护等优点。
3.1modbusrtu
modbus有两种串行传输模式，即rtu模式和ascii模式。rtu模式以十六进制传送数据，每个8bit字节包含两个4bit的十六进制字符。而ascii模式是将一个字节分为两个ascii字符发送。因而在同样的波特率下，rtu模式比ascii模式具有更高的吞吐率。大多数工业控制器采用rtu模式。
modbusrtu的报文帧和字节长度如表1所示，报文总是由起始位、设备地址、功能码、数据域、校验域和结束位组成。
3.2modbustcp
modbustcp只是在tcp/ip协议的基础上进一步进行了modbus报文的封装，其数据帧如图1所示，包含了报文头，功能代码和数据三部分，其中mbap报文头各域及所占字节长度如表2所示。
4、多功能网关软件设计
4.1modbustcp与modbusrtu协议转换
由上可知，modbustcp与modbusrtu的协议转换的核心即为数据帧的解封装与封装。modbuszui初在串行链路上的实现（zui大rs48du=256字节）限制了modbuspdu的长度。因此，对串行链路通信来说，modbuspdu=256-服务器地址（1字节）-crc（2字节）＝253字节。从而：rs232/rs48du=253字节+服务器地址（1字节）+crc（2字节）=256字节。tcpmodbusadu=253字节+mbap（7字节）=260字节。如图3所示为modbusrtu为master时的软件流程图，部分代码摘录如下：
4.2modbustcp与自定义串口协议转换
自定义串口协议与modbusrtu类似，但由于其协议为自定义的，导致adu的格式并不固定，这就需要定制该函数。本文目前只针对单一设备的情况，因此采取将串口数据帧直接作为modbustcp的pdu，而mbap采用固定格式处理，完成了对单一串口单台设备连接的透明处理。
5、结束语
frenic-mini为富士的一款变频器，支持简易的modbus的协议。本设计利用frenic-mini连接三相异步电机，采用modbusrtu与moxa7402-lx通信，成功地实现了远程变频器停启及频率读取。如下图4所示，为测试连接图。