工业控制嵌入式协议转换器设计(附件)【字数：21788】
摘 要摘 要Modbus作为一种主从通信协议，其特点为经济适用，能够普遍地适用于当代工业现场的微型计算机设施之中。这个协议拥有简易开放、适用性高、便捷实用的优点，易于开发和实现。它是一个十分经典的通讯协议，有着非常精练的数据帧格式。由于各种现场总线标准不同，总线互不兼容，不同总线协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，信息网络由于存在总线协议上的鸿沟，导致了所谓的“自动化孤岛”。很多设施使用的自由协议不能和建立在Modbus系统上的设备进行数据通讯。本课题设计一种工业控制嵌入式协议转换器，用来实现自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议之间的相互转换。 本课题在硬件上使用STM32的串口通讯模块和以太网模块来进行数据的传输，在软件上设计自由协议子程序、协议转换子程序、发送中断子程序、接收中断子程序等，最终实现自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议之间的相互转换，从而将Modbus网与以太网连接起来，提升设备利用率，减少成本投入，并且简化布线。关键词 Modbus；通信协议；协议转换器；串行通信
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 设计目标要求 3
第二章 Modbus协议和STM32嵌入式系统简介 4
2.1 Modbus RTU协议简介 4
2.2 Modbus TCP协议简介 7
2.3嵌入式系统 10
2.4 STM32系列处理器 12
2.5 STM32开发环境 13
第三章 嵌入式协议转换器硬件系统设计 14
3.1 STM32F103的硬件电路连接 14
3.2 串口通行模块 14
3.3 以太网模块 17
3.4 系统硬件结构 20
第四章 嵌入式协议转换器软件系统设计 22
4.1 Modbus RTU转换程序设计 27
4.2Modbus TCP转换程序设计 31
第五章 系统调试 32
结 语 38
致 谢 39
参考文献 40
附录 42
绪 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
论
研究背景
在当代的工业现场操控之中，因为原有的测控装置、工业控制仪器仪表等硬件设施大多数都放置于不同的地域，存在着分散性，为了能够对工业生产线上的各道程序进行实时的管控，工业设备之间需要传递的信息越来越多，并且对信息传递速度的要求越来越高。在整个工业操控环境中，因为每个生产部门大都数是互相独立分开的，为了在生产过程中高效高质量地完成产品的生产，现场设施之间必须互相协调合作。所以在生产过程中生产线上的各个部分的硬件设施需要及时地进行信息的传输交换。除此之外，生产过程中主要控器要实现对生产过程进行全面的监督管理和优化升级，也需要与生产线上的各个部分实现数据通信。但实际是，工业硬件设施通常使用的通信协议来自于不同的开发平台。不同的设施直接要实现数据通信就需要对每一个设施开发一种协议间的转化标准。这样做的话，不仅会增加不必要的生产成本，还会造成工业设备的增多。
所以为了让众多的工业设备能够在全面监控下正常运转，同时使得工业现场管理形成智能化，避免数据信息的孤立性，是现代工业自动化领域经常遇到难点问题之一。为了解决这个问题，工业现场各节点设备间都需要采用同种开放的标准通讯规约，而不必为每个设备装置独立开发一个通讯接口。目前能实现这个功能的通信协议有很多。Modbus协议作为其中之一，凭借着其简单易用的通信特性，被广泛地应用于现场总线网络环境中，是当今最为通用的工业现场总线标准协议。通过该协议，工业现场中的微机设备可以互连成一个集成化的信息系统网络。能够有效对现场设备进行功能指令操作，实现多机网络集中监控。
Modbus的总线协议是一种在应用层上的数据传输协议，并且对多种多样不同类型的电路接口要求都适用。无论是RS232，RS422，RS485还是以太网接口，都能够在不一样的传输媒介里开展串行异步数据传输，例如电缆，光纤等等[1]。图11为Modbus应用层描述。
图11 Modbus 应用层
Modbus协议通过定制规格一致的数据帧传输准则，形成了一项简洁明了并且对外开放的主从通讯协议。这里的主从通讯是指主控设施访问从设施，从设施对主控设施进行响应的这一流程，其中主控设施常称为主机，从设施也被叫做从机。现在Modbus RTU协议被工业行业大力推广，这项协议被广泛的运用到生产设备之中。随着工业自动化朝着网络化的发展趋势，我们需要创建一种广泛高效的联网体系。而Modbus TCP本来就能够依靠当前的网络和以太网这些设备，转化为自己独特点，所以能运行同样一种Modbus TCP客户端运行软件来控制一切采用Modbus系统的设施，形成一个集中的体系，方便统一控制。
就在Modbus/Modbus TCP网关跟随着工业以太网Modbus TCP协议迅速发展之时，Modbus协议的开发创造者，施耐德公司也先知先觉在在这方面进行了深入研究，从而创造了Modbus/Modbus TCP网关。由于该网关价格高昂，而且只能在底层达成Modbus现场总线网络和信息层运用Modbus TCP工业以太网之间的功能衔接，而工业控制系统中大量存在的自由协议设备无法直接接入该网关。本课题设计一种工业控制嵌入式协议转换器，用来实现自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP之间的相互转换。
设计目标要求
本课题主要是根据自由协议、Modbus RTU协议和Modbus TCP协议的基本内容，硬件上使用STM32的串口通讯模块和以太网模块来进行数据的传输，在软件上编写Modbus RTU和Modbus TCP协议程序，以及自由协议子程序、协议转换子程序、发送中断子程序、接收中断子程序等。然后，利用STM32开发板调试ARM程序，完成自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议之间的相互转换功能，同时，利用串口调试工具和以太网调试工具，验证自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议相互转换程序的功能。
Modbus协议和STM32嵌入式系统简介
Modbus RTU协议简介
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 设计目标要求 3
第二章 Modbus协议和STM32嵌入式系统简介 4
2.1 Modbus RTU协议简介 4
2.2 Modbus TCP协议简介 7
2.3嵌入式系统 10
2.4 STM32系列处理器 12
2.5 STM32开发环境 13
第三章 嵌入式协议转换器硬件系统设计 14
3.1 STM32F103的硬件电路连接 14
3.2 串口通行模块 14
3.3 以太网模块 17
3.4 系统硬件结构 20
第四章 嵌入式协议转换器软件系统设计 22
4.1 Modbus RTU转换程序设计 27
4.2Modbus TCP转换程序设计 31
第五章 系统调试 32
结 语 38
致 谢 39
参考文献 40
附录 42
绪 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
论
研究背景
在当代的工业现场操控之中，因为原有的测控装置、工业控制仪器仪表等硬件设施大多数都放置于不同的地域，存在着分散性，为了能够对工业生产线上的各道程序进行实时的管控，工业设备之间需要传递的信息越来越多，并且对信息传递速度的要求越来越高。在整个工业操控环境中，因为每个生产部门大都数是互相独立分开的，为了在生产过程中高效高质量地完成产品的生产，现场设施之间必须互相协调合作。所以在生产过程中生产线上的各个部分的硬件设施需要及时地进行信息的传输交换。除此之外，生产过程中主要控器要实现对生产过程进行全面的监督管理和优化升级，也需要与生产线上的各个部分实现数据通信。但实际是，工业硬件设施通常使用的通信协议来自于不同的开发平台。不同的设施直接要实现数据通信就需要对每一个设施开发一种协议间的转化标准。这样做的话，不仅会增加不必要的生产成本，还会造成工业设备的增多。
所以为了让众多的工业设备能够在全面监控下正常运转，同时使得工业现场管理形成智能化，避免数据信息的孤立性，是现代工业自动化领域经常遇到难点问题之一。为了解决这个问题，工业现场各节点设备间都需要采用同种开放的标准通讯规约，而不必为每个设备装置独立开发一个通讯接口。目前能实现这个功能的通信协议有很多。Modbus协议作为其中之一，凭借着其简单易用的通信特性，被广泛地应用于现场总线网络环境中，是当今最为通用的工业现场总线标准协议。通过该协议，工业现场中的微机设备可以互连成一个集成化的信息系统网络。能够有效对现场设备进行功能指令操作，实现多机网络集中监控。
Modbus的总线协议是一种在应用层上的数据传输协议，并且对多种多样不同类型的电路接口要求都适用。无论是RS232，RS422，RS485还是以太网接口，都能够在不一样的传输媒介里开展串行异步数据传输，例如电缆，光纤等等[1]。图11为Modbus应用层描述。
图11 Modbus 应用层
Modbus协议通过定制规格一致的数据帧传输准则，形成了一项简洁明了并且对外开放的主从通讯协议。这里的主从通讯是指主控设施访问从设施，从设施对主控设施进行响应的这一流程，其中主控设施常称为主机，从设施也被叫做从机。现在Modbus RTU协议被工业行业大力推广，这项协议被广泛的运用到生产设备之中。随着工业自动化朝着网络化的发展趋势，我们需要创建一种广泛高效的联网体系。而Modbus TCP本来就能够依靠当前的网络和以太网这些设备，转化为自己独特点，所以能运行同样一种Modbus TCP客户端运行软件来控制一切采用Modbus系统的设施，形成一个集中的体系，方便统一控制。
就在Modbus/Modbus TCP网关跟随着工业以太网Modbus TCP协议迅速发展之时，Modbus协议的开发创造者，施耐德公司也先知先觉在在这方面进行了深入研究，从而创造了Modbus/Modbus TCP网关。由于该网关价格高昂，而且只能在底层达成Modbus现场总线网络和信息层运用Modbus TCP工业以太网之间的功能衔接，而工业控制系统中大量存在的自由协议设备无法直接接入该网关。本课题设计一种工业控制嵌入式协议转换器，用来实现自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP之间的相互转换。
设计目标要求
本课题主要是根据自由协议、Modbus RTU协议和Modbus TCP协议的基本内容，硬件上使用STM32的串口通讯模块和以太网模块来进行数据的传输，在软件上编写Modbus RTU和Modbus TCP协议程序，以及自由协议子程序、协议转换子程序、发送中断子程序、接收中断子程序等。然后，利用STM32开发板调试ARM程序，完成自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议之间的相互转换功能，同时，利用串口调试工具和以太网调试工具，验证自由协议与Modbus RTU和Modbus TCP协议相互转换程序的功能。
Modbus协议和STM32嵌入式系统简介
Modbus RTU协议简介
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