嵌入式 Modbus/TCP 网关的设计与实现
摘 要： 设计并实现了一种基于嵌入式系统的 Modbus/TCP 协议转换网关，允许用户通过以
太网对 Modbus 现场总线设备进行监控，实现了以太网与现场总线的互联。测试结果表明该网
关工作稳定可靠。对工业以太网与现场总线互联的深入应用具有较高的参考价值和实际意义。
关键词： Modbus/TCP; 现场总线; 网关
随着企业信息化进程的深入发展，实现企业上层的管理网络与现场控制网络的无缝连接
显得越来越重要。基于质量分析的生产管理、与安全相关的测试监控都要求现场的仪器仪表
能对现场的信息进行处理并能及时被上级监控和管理网络访问与控制，最终纳入到企业信息
管理系统统一的框架中。 目前，构成底层控制网络的现场总线技术已获得了广泛的应用。
多种现场总线标准并存而相互间无法兼容的问题一直困扰着工业界。将工业以太网应用到现
场控制网络已成为当前研究的热点和未来发展的趋势。如何使这种网络结构与工业以太网技
术相结合，实现底层生产与上层管理的紧密集成是当前研究的热点。1 Modbus 协议及网关拓
扑结构 Modbus 现场总线协议是 Modicon 公司于 1978 年提出的一种现场总线协议[1]。通
过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以进行通信。该协议内容可
以免费获得，因此 Modbus 的串行链路版本在市场上长期占有主导地位。大量的产品已直接运
行或兼容 Modbus 串行链路版本。 Modbus/TCP 工业以太网协议是 1999 年被开发的 Modbus
协议的另一版本[2]，允许用户通过以太网访问设备。协议的开放性及简单易学，使它比很多
受商业利益驱使的协议取得更快的发展，受到众多第三方产品厂商、终端用户、系统集成商
的广泛支持[3]。 本文设计和实现了一种嵌入式协议转换网关，通过 Modbus/TCP 协议将传
统的串行链路通信的 Modbus 现场总线与以太网相连。用户经由以太网对 Modbus 设备进行数
据采集并对 Modbus 设备进行远程访问和控制。同时网关还提供 Web 服务功能，允许通过 Web
浏览器直接配置网关的 IP 地址等信息并保存到网关的非易失性存储器中。图 1 是嵌入式
Modbus/TCP 网关的连接示意图。
2 网关总体设计 网关选用了 ATMEL 公司生产的 AT91RM9200高性能 32 位工业级嵌入式微处
理器作为网关硬件系统的核心。网关的软件系统将移植μC/OS-II 嵌入式实时操作系统和
实现 TCP/IP 协议栈，并在此基础上设计应用层程序。网关的总体设计结构如图2。网关的设
计方案将采用开放源代码的嵌入式操作系统和 TCP/IP 协议栈，因此在取得较高性价比的基础
上可取得最佳的扩展性。3 硬件设计 AT91RM9200 是著名半导体厂商 ATMEL 力推的一款基
于 ARM920T 内核的工业级嵌入式微处理器，为最大功能、最低功耗、最低成本的嵌入式系统
提供了一个完整的解决方案[4]，它除具备 ARM 微处理器传统优势以外，其性能、可靠性和扩
展性都大大超过普通的商业级 ARM7 核心的嵌入式微处理器。硬件系统的结构如图 3。
4 软件系统设计 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中使用越来越广泛，尤其在功
能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要 [5]。网关采用了μC/OS-II 实时操作系统。
μC/OS-II 实时操作系统是专门为嵌入式应用设计的，除了与 CPU 硬件相关部分是用汇编
语言编写外，其他绝大部分代码用 C 语言编写。μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、
实时性能优良、可靠性高、可扩展性强和移植性好等特点[6]。 选择合适的 ARM 处理器的
开发工具可以加快嵌入式系统的开发进度、节约成本、提高效率。 CodeWarrior for ARM
Developer Suite V1.2 集成开发环境是 ARM 公司推出的新一代 ARM 集成开发工具，网关的所
有程序代码均在此集成开发环境中编译、链接、调试。 4.1 μC/OS-II 初始化程序设计
μC/OS-II 操作系统运行前需要对硬件系统的片内和片外存储器、系统堆栈等进行初始化。
这些工作与硬件系统相关，难以用 C 语言实现，需要用汇编语言实现。系统在执行完初始化
资源评论
