的Ｅｔｈ哪ｅｔ，而无需过早淘汰原有设备，从而提高了现有
设备的利用率，节约了投资，还可在既有的网络基础上 简化布线复杂度。 １系统硬件实现
此款协议转换器的硬件框架如图ｌ所示。 在此电路板上，Ｕ’Ｃ２２１４芯片作为ＣＰＵ进行所有任 务的调度和收发控制；通过Ｒ１１Ｌ８０１９ＡＳ网卡芯片，与以 太网通信；ＣＰＵ的串行口通过４８５接口与遵循Ｍｏｄｂｕｓ 协议的现场设备和控制器连在一起；应数据存储和处理 的要求，增加了外部存储器ＲＡＭ和Ｅ２ＰＲＯＭ。
接口和独特的加速结构使３２位代码能够在最大时钟速 率下运行。对代码规模有严格控制的应用，可使用１６位 码ｕｍｂ模式将代码规模降低３０％以上，而性能的损失却
很小。由于内置了宽范围的串行通信接口，使其非常适 合于通信网桥、协议转换器、嵌入式软ｍｏｄｅｍ以及其它
各种类型的应用。 １．３ ＭＡＸｌ４８７芯片介绍
ＴＣＰ、ＩＰ、Ｅｔｌｌ咖ｅｔ包头，逐层的向下传，最后把整合后的
数据通过ＤＭＡ方式存放于以（ｏｘ４０００或０】【４６００）为起始 地址的缓冲区，作为数据包发送出去。在发送数据包的 过程中，要不断检测发送的状态，适时地进行重发（重发 次数设为６次）。此时，转换器作为主动连接端和主动断 开端。
应用程序调用发送函数
稳定性也是选择它的部分原因。 在斗Ｃ／ＯＳ—ＩＩ系统中，每一个任务都是一个无限循
环，都有对应的数据结构。该数据结构记录了任务的五 种状态：休眠、就绪、运行、等待或挂起、被中断。通过任 务调度，各个任务在五个状态之间进行转换。最高优先 级的任务一旦就绪，就总能得到ＣＰＵ的控制权；当一个 运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入就绪态 后，当前任务的ＣＰＵ使用权就被剥夺或被挂起，而高优 先级的任务立刻得到了ＣＰＵ的控制权。 ２．２网卡芯片的驱动程序
Hale Waihona Puke Baidu
地址ＤＡ ｌ地址ｓＡ ｌ长度ＬＥＮ
ＤＡＴＡ
ＰＡＤ
４８ｂｉｔ
４８ｂ“
１６ｂｉｔ
＜＝１５００Ｂ 可选
图４ Ｒｒｌｌｌ８０１９ＡＳ发选包帧结构
２．３ ＴＣＰ／ＩＰ协议栈设计 ＴＣＰ／ＩＰ协议分为四层，一般底层包含高层。 （１）链路层。由控制同一物理网络上的不同机器间
数据传送的底层协议组成。前面介绍的基于８０１９的驱 动程序就是在该层实现的。
简言之，Ｒ，Ｉ＇Ｌ８０１９ＡＳ完成数据包和电信号之间的相 互转换。以太网协议由芯片硬件自动完成，对程序员透 明。驱动程序有３种功能：芯片初始化、收包、发包。相 应定义了三个接口函数：ＩｎｉｔＮｉｃ（），Ｒｅｃ＿Ｐａｃｋｅｔ（）和Ｓｅｎｄ＿ Ｐａｃｋｅｔ（）。
远端ＤＭＡ指ＣＰＵ接口侧，本地ＤＭＡ指ＲＴＬ８０１９ＡＳ 的硬件收发电路侧。ＲＴＬ８０１９ＡＳ的本地ＤＭＡ操作是由 控制器本身完成的，而远端ＤＭＡ在无主处理器参与的 情况下，数据就能自动移到主处理器的内存中。
接收程序的流程如图５所示。ＡＲＭ芯片不断查询 ８０１９接收缓冲区是否有数据包存人。当接收到新的数据 包，首先对其前１８字节进行分析，从而获得整个数据包 的有用信息。继而，读Ｅｔｈｅｍｅｔ包头（１４字节）；如是ＡＲＰ 包（ＮｅｘｔＰｒｏｔｏｃｏｌ＝０】【０８０６），则根据其包头（２８字节）信息 进行相应的操作；如是ＩＰ包（ＮｅｘｔＰｒｏｔｏｃｏｌ＝０】【０８００），则根 据其包头（２０字节）信息进入下一层分析，如果是ＩＣＭＰ 操作（ＮｅｘｔＰｍｔｏｃ０１＝０】【０１），则进一步分析是ＩＣＭＰ请求、 还是应答帧，然后做出相应操作（该转换器只实现了 Ｐｉｎｇ操作）；如是ＴＣＰ包（ＮｅｘｔＰＩＤｔｏｃｏｌ＝０】【０６），则加ＴＣＰ 信号量进消息队列（ＯＳＱＰｏｓｔ），等待主函数处理。这时， 触发接收函数读取数据。
源ＭＡＣ 地址ＳＡ
类型哪Ｅ
，长度ＬＥＮ
数据域 ＤＡＴＡ
填充ＰＡＤ
校验ＦＣＳ
ＩｃＭＰ处理
ｔ
ｔ
ＴＣＰ处理，数据分析
ｆ
６２ｂｉｔ
２ｂｉｔ
４８ｂｉｔ
４８ｂｉｔ
１６ｂｉｔ
＜＝１５００Ｂ ＤＡＴＡ，Ｊ、于４６Ｂ补Ｏ ３２ｂｉｔ
图２ ８０２．３帧结构
ＩＰ包头处理
ｔ
ＡＲＰ处理
ｆ
Ｅｔｌｌｅｎｌｅｔ包头处理
ｆ
８ｂｉｔ
８ｂｉ￡
关键词：Ｍｏｄｂｕｓ协议ＴＣＰ／ＩＰ协议ＡＲＭ嵌入式协议转换
Ｍ０ｄｂｕｓ协议是１９７８年由施奈德制定，应用于电子 控制器上的一种通用语言，实现控制器相互之间、控制 器经由网络（例如以太网）和其他设备之间的通信，支持 传统的ＲＳ一２３２，４２２／４８５设备和最新发展起来的以太网 设备。该协议定义了一个能被控制器识别的消息结构， 描述了控制器如何请求访问其他设备，如何回应来自其 他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，可用于总线 或者网络的互联，为客户机，服务器方式。
Ｊ
ＴＣＰ发送处理整合程序
ｌ ＩＰ包头添加ｌ
Ｊ
ＥｔＩｌｅｍｅｔ包头添加
ｌ
发送到８０１９发送缓冲区
图６发送程序流程图
流程与接收时类似，在此不做重述。 ２．４基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的收发设计
Ｍｏｄｂｕｓ是一个请求／应答协议，并且提供功能码规 定的服务。当在Ｍｏ曲ｕｓ网络上通信时，Ｍｏｄｂｕｓ协议决定 了每个控制器需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Ｍｏｄｂｕｓ协议发出。
ＴＣＰ连接以后，有二个通道进行数据传输，连接的 双方各占一个通道，被动连接端就可以进行有效数据的 接收了。
在数据发送完毕后，因为传输时是二个通道同时传 输，所以，断开连接是双方协商关断二个传输通道的过 程。流程与建立时类似。
发送程序流程如图６所示。首先根据协议转换要发 送的数据，进行相应的格式变换。然后适时加上相应的
以太网协议不止一种，此转换器选用８０２．３。它的帧 结构如图２所示。物理信道上的收发操作均使用这个帧 格式。其中，前导序列、帧起始位、ＣＲＣ校验由硬件自动 添加／删除，与上层软件无关。
在实际中，收到的数据包格式并不是８０２．３帧的真 子集，而是图３所示格式。８０１９自动添加了“接收状态、
目的ＭＡｃ ｌ源ＭＡｃ ｌ类型’ｒＹＰＥ／ｌ数据域ｌ填充
主ｉ瓣骧焦
Ｍｏｄｂｕｓ与ＴＣＰ／ＩＰ协议转换器的设计
崔淼，郑雪峰 （北京科技大学计算机应用技术专业，北京１０００８３）
摘要：近２０多年来，随着通信技术、计算机技术和网络技术的迅速发展，工业自动化控制领域 也得到了迅速的促进和改革。如何将现代通信技术成功地应用到工业自动化控制领域，掀起了一股 激烈的讨论热潮。本人设计了一个协议转换器，使遵循Ｍｏｄｂｕｓ协议的现场设备和控制器能够挂到以 太网上，完成与ＰＣ主机或者远距离的控制器之间的通信。
１６ｂｉｔ
４８ｂｉｔ
４８ｂｊ￡
１６ｂｊｆ
图３ ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收包帧结构
＜＝１５００Ｂ 可选 ３２ｂｊｔ
８０１９接收到数据 图５接收程序流程图
１４２ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｎ ｗｗｗ．神ｔｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ 万方数据
《电子技术应用》２００６年第５期
衢雏黥
程。只有在连接建立成功后，才能进行数据传输。反之， 终止连接，使用ＴＣＰ连接中断过程关闭连接。
本系统中，ＲＳ一４８５接口采用ＭＡＸｌ４８７芯片。
ＭＡＸｌ４８７是美国ＭＡＸＩＭ公司产品，采用＋５Ｖ ＤＣ供电， 使用于半双工通信，通信总线上最多可挂１２８个收发 器，满足分机负载要求。
２系统软件实现
软件设计大致分为三块：（Ｉ）仙Ｃ／０Ｓ—ＩＩ实时操作系 统的ＡＲＭ移植；（２）ＲＴＬ ８０１９底层驱动程序；（３）ＴＣＰ／ ＩＰ协议栈、串行数据的收发和协议转换。
（１）有奇偶校 验启始位１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８奇偶位停止位 （２）无奇偶校验 启始位１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８停止位停止位 Ｍｏｄｂｕｓ使用“ｂｉｇ—ｅｎｄｉａｌｌ”表示地址及数据项。即存 储或传送二进制数据时，最高位字节在最前面。
《电子技术应用》２００６年第５期 万方数据
Ｍｏｄｂｕｓ的数据模型基于一系列表，这一系列表具有
为了能跟上网络自动化的潮流而不失去竞争优势， 必须建立高效率的数据采集、生产监控、即时成本管理 的联网系统。本文介绍的这一款协议转换器，可以将多 个串口设备连接并能将串口数据流进行选择和处理，把 现有的ＲＳ一４８５接口的串行数据转化成遵循Ｍｏｄｂｕｓ ＴＣＰ协议的数据，这样就能将传统的串行数据送上流行
控制器能设置为两种传输模式（ＡＳＣＩＩ或ＲＴＵ）中的 任何一种，在标准的Ｍｏｄｂｕｓ网络中进行通信。本系统选 择ＲＴＵ模式（其发送效率高）。使用ＲＴＵ模式，消息发 送至少要以３．５个字符时间的停顿间隔开始。
当消息在标准的Ｍｏｄｂｕｓ系列网络传输时，每个字 符或字节以如下方式发送（从左到右）：最低有效位… 最高有效位。位的序列是：
２．１ ｕＣ／ＯＳ—ｆＩ操作系统
为了能够对现场设备做出实时反馈，并且实现对多
本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
１４ｌ
。露夔鬈焦
任务有较高要求的 性能，本系统选用灿Ｃ／ＯＳ—ＩＩ多任务 实时操作系统。另外，有源代码、易移植性、可剥夺性、
成员（共４Ｂ）。这些数据成员的引入方便了驱动程序的设 计。发送数据包的格式是８０２．３帻的真子集。如图４所示。
区别的特征。主要的四个表是：
输入开关量
单个位，由Ｉ／Ｏ系统提供，只读
输出开关量
单个位，通过应用程序可变，读写
输入寄存器
１６位量，由Ｉ／Ｏ系统提供，只读
输出寄存器
１６位量，通过应用程序可变，读写
电路板上电后，ＡＲＭ芯片的串行端口不断侦测网络
总线。当第一个域（地址域）接收到，对其进行解码，以
判断是否发给自己。如果地址符合，则接收此帧数据；反 之，则丢弃。当有至少３．５个字符时间的停顿后，标定了 此次消息帧传送的结束。一个新的消息可在此停顿后开 始。在接收的时候，为了尽可能地不丢帧、不出现帧错
行信号的编，解码。
．
ＲＴＬ８０１９ＡＳ内部可以分为远程ＤＭＡ接口、本地
ＤＭＡ接口、ＭＡＣ（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻 辑和其他端口。
１．２ ＬＰＣ２２１４芯片介绍 ＬＰＣ２２１４是基于支持实时仿真和跟踪的１６／３２位
ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ ＣＰＵ的微控制器，并带有２５６ＫＢ嵌入的高 速Ｆｌａｓｈ存储器（该存储器可用作代码和数据的存储，并 且含有１６ＫＢ的静态ＲＡＭ，可以用作代码和／或数据的存 储，支持８位、１６位和３２位访问）。１２８位宽度的存储器
图１硬件电路框架图
《电子技术应用》２００６年第５期 万方数据
１．１ ＲＴＡ８０１９ＡＳ以太网控制器 ＲＴＬ８０１９ＡＳ是一种高度集成的８／１６位ＩＳＡ总线的
以太网控制芯片，集成了ＭＡＣ和物理层的功能，可以方
便地设计基于ＩＳＡ总线的系统。Ｒ，１１Ｌ ８０１９芯片的主要功
能是在物理层进行以太数据包的收发，以及在链路层进
ＴＣＰ协议是面向连接的协议，每个连接都有４个标 志（服务器ＩＰ地址、服务器ＴＣＰ端口、客户机ＩＰ地址、 客户机ＴＣＰ端口）作为它的惟一标志。在进行数据传输 之前，服务器与客户机之间必须使用ＴＣＰ连接的建立过
下一页指针、以太网帧长度（以字节为单位）”三个数据
用户应用程序
前导位 ＰＲ
帧起始 位ＳＤ
目的ＭＡＣ 地址ＤＡ
（２）网络层。通过ＩＰ协议可以使信息发送到相邻 的ＴＣＰ／ＩＰ网络上的任一主机。其中，应该包含ＡＲＰ地址 解析协议，实现从ＩＰ地址到数据链路物理地址的映象。
（３）传输层。传输层可以让网络程序通过自己定义 的通道、端口号等相应特性来收发数据。在本系统中，重 点放在了ＴＣＰ数据报协议上。
（４）应用层。在本系统中，应用层对收到的数据和 要发送的数据进行Ｍｏｄｂｕｓ与ＴＣＰ／ＩＰ协议的转换。另 外，作为测试程序实现过ＨｒＩ’ＩＰ协议。
驱动程序屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软 件提供硬件无关接口。对Ｒ１１Ｌ８０１９ＡＳ的操作实际上是通 过读写其内部寄存器来实现的。因此定义二个宏： ＲｅａｄＦｍｍＮｅｔ（）和ＷＩｉｔｅＴｏＮｅｔ（）．
发送数据包时，通过ＤＭＡ写操作存入网卡芯片，并 给出发送缓冲区首地址（ＴＰｓＲ０、Ⅱ＇ＳＲｌ）和数据包长度 （ＴＢＣＲＯ，ＴＢＣＲｌ），启动发送命令（ＣＲ＝０】【３Ｅ），ＲＴＬ８０１９ＡＳ 会自动完成相应操作。接收数据包时，采用查询方式。 ＲＴＬ８０１９ＡＳ收到物理信号后将其还原成数据，按指定格 式存放于芯片。
误，把字符之间的间隔时间限制调为略小于３．５个字符
时间（试验测得最佳状态时的取值）。 在向设备发送消息帧时，消息帧必须作为一连续的