基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層軟件設計

3．1．2 Modbus／TCP通信協(xié)議
Modbus／TCP是一種應用層的協(xié)議，上層為Modbus協(xié)議，下層為TCP協(xié)議，它規(guī)定了網絡互聯(lián)節(jié)點間的請求／應答的通信方式。幀格式必須嚴格遵守協(xié)議所規(guī)定的ADU(Application Data Unit)格式，才能在以太網上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。圖3所示即為Modbus／TCP的數(shù)據(jù)幀格式。

MBAP報文頭(Modbus Application Protocol Header)是TCP／IP使用的專用報文頭，用來識別Modbus的應用數(shù)據(jù)單元。MBAP共有7個字節(jié)，其具體組成及含義如表2所列。
國際互聯(lián)網編號分配管理機構IANA(Internet Assigned Numbers Authority)專門為其賦予了一個TCP端口號502端口，利用TCP發(fā)送所有的Modbus／TCP ADU。
3．1．3 Modbus／TCP與Modbus RTU數(shù)據(jù)幀的區(qū)別
Modbus／TCP雖然包括了從站地址、功能碼和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是沒有校驗控制碼，這是因為Modbus／TCP校驗功能已經在下面的四層如TCP／IP協(xié)議和鏈路層的校驗機制得到了保證。
3．2 數(shù)據(jù)采集與傳輸層系統(tǒng)軟件設計
油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層主要完成的功能：傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸和對繼電器的控制。圖1中提到了兩種常見的工作方式。在井場1中存在RTU主站和從站：主站主要負責對各從站進行輪詢、數(shù)據(jù)打包和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，從站主要負責數(shù)據(jù)的采集、繼電器的控制和輪詢命令的響應，主從站之間的通信使用的是Modbus／RTU。在井場2中只存在一個RTU，主要完成數(shù)據(jù)的采集、繼電器的控制和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，通信使用的是Modbus／TCP。在數(shù)據(jù)采集與傳輸層的工作過程中，考慮到系統(tǒng)的兼容性，對RTU軟件設計提出了可配置的要求，不需要重新下載程序，只需要使用系統(tǒng)配置軟件就可選擇不同的工作方式和通信方式，這就保證了系統(tǒng)的可操作性和兼容性，系統(tǒng)的適應性大大加強。
在軟件開發(fā)過程中，考慮到串行通信速度較慢的特點，采用多線程技術，故引入實時操作系統(tǒng)μC／OS_II，將Modbus／RTU通信、Modbus ／TCP通信等放在單獨的線程中進行，而數(shù)據(jù)采集和控制等則采用另的線程實現(xiàn)。
3．2．1 μC／OS_II的移植
μC／OS_II是可移植、可剪裁的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)內核，適用于工業(yè)控制中的實時監(jiān)控。本系統(tǒng)成功地將實時操作系統(tǒng)μC／ OS_II移植到S3C2440A微處理器上，并實現(xiàn)了Modbus通信協(xié)議。
μC／OS_II可以管理64個任務，具有信號量、互斥信號量、消息隊列、任務管理、時間管理和內存塊管理等系統(tǒng)功能。μC／OS_II的移植主要包括三部分代碼：μC／OS_II核心代碼、μC／OS_II配置代碼、μC／OS_II移植代碼。其中μC／OS_II移植代碼包括1個匯編文件、1個C程序文件和1個頭文件。這部分代碼與微處理器相關，是移植的關鍵。
3．2．2 Modbus通信的實現(xiàn)
RTU與上位機使用Modbus／TCP進行以太網通信時，需不斷接收上位機發(fā)送的查詢命令，處于服務器(從站)狀態(tài)。RTU在使用。Modbus／ RTU進行串口通信時，需單獨完成主從站功能。在實際應用中，不存在Modbus／TCP和Modbus／RTU的從站并存在同一RTU的情況，因而在程序編寫過程中，Modbus／TCP和Modbus／RTU的從站使用同一個Modbus從站庫，但對其幀頭的處理略有不同。以下分別講述Modbus／TCP服務器(從站)在TCP／IP協(xié)議棧上的實現(xiàn)以及Modbus／RTU主站在串口通信上的實現(xiàn)。
(1)Modbus／TCP通信協(xié)議實現(xiàn)
由于操作系統(tǒng)μC／OS_II本身沒有TCP／IP協(xié)議棧，故先移植嵌入TCP／IP協(xié)議棧，再編寫Modbus／TCP服務器(從站)程序。在μC／OS_II下嵌入了TCP／IP協(xié)議棧后就監(jiān)聽TCP502端口的連接請求，只有在與客戶機建立了連接之后才能進行數(shù)據(jù)處理。服務器端在收到客戶機的請求之后，會確認和客戶機的連接，同時接收并分析客戶機的請求報文。如果MBAP報文頭正確，則讀完所有的報文，只有協(xié)議類型值為0x00時才對請求幀進行下一步操作，否則直接丟棄報文。接著分析PDU中的功能代碼，不同的功能對參數(shù)要求也不同，最后根據(jù)數(shù)據(jù)域中的參數(shù)規(guī)定，執(zhí)行相應的操作。若有錯誤出現(xiàn)，直接丟棄報文，仍繼續(xù)處理PDU的數(shù)據(jù)顯得不必要，影響實時性。根據(jù)對客戶端請求報文的分析處理，有兩種響應結果，一種是正常的響應報文，另一種是異常響應報文，即返回的是錯誤信息。其Modbus／TCP的從站通信流程如圖4所示。