基于Modbus/TCP的智能断路器通信模块的研究与开发

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随着现场总线技术和工业以太网技术的快速发展,以及关键问题的突破,使得工业自动化领域的通信网络正在逐步统一到工业以太网。目前国外新开发出来的智能断路器已经具有了以太网接口,但国内很多设备的通信接口大多是RS485。Modbus/TCP是工业以太网技术中最有发展前景的一种,在工业自动化领域具有很高的性价比,得到了国内外大公司的广泛支持。 针对以上情况,本文开发了一种外挂式的协议转换器,用于智能低压断路器产品接入工业以太网。为了实现上述目标,本文提出了一种基于AT91SAM7X256微处理器的通信系统设计方案,其主要功能就是使具有RS485接口的现场低压电器设备能够无缝集成到工业以太网测控系统中,即完成Modbus_RTU与Modbus/TCP协议转换,实现远程网络监控。 本文的主要研究工作有: (1)分别从协议功能码、数据传输模型及数据帧等方面对Modbus__RTU串行链路协议与Modbus/TCP工业以太网协议进行了仔细的研究与分析,并结合本课题的实际情况合理的选择相应功能。 (2)研究了AT91SAM7X256微处理器的体系结构及功能特点,并结合实际情况,开发了一套基于该处理器的硬件平台。该平台不仅具有标准的RS485接口和工业以太网接口;还具有对该平台的配置接口,可通过该接口设置不同的Modbus参数,从而使该通信系统更具适用性。 (3)为了满足工业应用场合下对实时性的要求,并结合本课题开发的硬件平台的性能特点,设计了一种基于嵌入式实时操作系统μ C/OS-II的软件设计方案。深入研究了实时操作系统μ C/OS-II的功能特点,并将其成功移植到该硬件平台上。根据Modbus/TCP协议的功能特点及深入研究TCP/IP协议栈LwIP的基础上,完成嵌入式TCP/IP协议栈LwIP的移植,并对其做了相关测试,测试结果表明移植的嵌入式TCP/IP协议栈工作正常。 (4)详细分析了Modbus_RTU进程与Modbus/TCP进程之间数据交换的原理,并在此基础上分别完成Modbus_RTU和Modbus/TCP两个子通信模块的应用程序编写。借助本课题组所开发的网络测控系统对本通信系统进行了测试,测试结果表明本通信系统达到了预期目标。 本课题所开发的通信模块,对于开发相关产品具有很好的借鉴作用;且符合低压电器网络化的发展趋势,将有利于实现工厂信息一体化。
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