基于RTU油井远程测控系统的数据采集与传输层软件设计

3．1．2 Modbus／TCP通信协议
Modbus／TCP是一种应用层的协议，上层为Modbus协议，下层为TCP协议，它规定了网络互联节点间的请求／应答的通信方式。帧格式必须严格遵守协议所规定的ADU(Application Data Unit)格式，才能在以太网上实现数据的传输。图3所示即为Modbus／TCP的数据帧格式。

MBAP报文头(Modbus Application Protocol Header)是TCP／IP使用的专用报文头，用来识别Modbus的应用数据单元。MBAP共有7个字节，其具体组成及含义如表2所列。
国际互联网编号分配管理机构IANA(Internet Assigned Numbers Authority)专门为其赋予了一个TCP端口号502端口，利用TCP发送所有的Modbus／TCP ADU。
3．1．3 Modbus／TCP与Modbus RTU数据帧的区别
Modbus／TCP虽然包括了从站地址、功能码和传输的数据，但是没有校验控制码，这是因为Modbus／TCP校验功能已经在下面的四层如TCP／IP协议和链路层的校验机制得到了保证。
3．2 数据采集与传输层系统软件设计
油井远程测控系统的数据采集与传输层主要完成的功能：传感器数据的采集、传输和对继电器的控制。图1中提到了两种常见的工作方式。在井场1中存在RTU主站和从站：主站主要负责对各从站进行轮询、数据打包和向上位机发送数据，从站主要负责数据的采集、继电器的控制和轮询命令的响应，主从站之间的通信使用的是Modbus／RTU。在井场2中只存在一个RTU，主要完成数据的采集、继电器的控制和向上位机发送数据，通信使用的是Modbus／TCP。在数据采集与传输层的工作过程中，考虑到系统的兼容性，对RTU软件设计提出了可配置的要求，不需要重新下载程序，只需要使用系统配置软件就可选择不同的工作方式和通信方式，这就保证了系统的可操作性和兼容性，系统的适应性大大加强。
在软件开发过程中，考虑到串行通信速度较慢的特点，采用多线程技术，故引入实时操作系统μC／OS_II，将Modbus／RTU通信、Modbus ／TCP通信等放在单独的线程中进行，而数据采集和控制等则采用另的线程实现。
3．2．1 μC／OS_II的移植
μC／OS_II是可移植、可剪裁的抢占式实时多任务操作系统内核，适用于工业控制中的实时监控。本系统成功地将实时操作系统μC／ OS_II移植到S3C2440A微处理器上，并实现了Modbus通信协议。
μC／OS_II可以管理64个任务，具有信号量、互斥信号量、消息队列、任务管理、时间管理和内存块管理等系统功能。μC／OS_II的移植主要包括三部分代码：μC／OS_II核心代码、μC／OS_II配置代码、μC／OS_II移植代码。其中μC／OS_II移植代码包括1个汇编文件、1个C程序文件和1个头文件。这部分代码与微处理器相关，是移植的关键。
3．2．2 Modbus通信的实现
RTU与上位机使用Modbus／TCP进行以太网通信时，需不断接收上位机发送的查询命令，处于服务器(从站)状态。RTU在使用。Modbus／ RTU进行串口通信时，需单独完成主从站功能。在实际应用中，不存在Modbus／TCP和Modbus／RTU的从站并存在同一RTU的情况，因而在程序编写过程中，Modbus／TCP和Modbus／RTU的从站使用同一个Modbus从站库，但对其帧头的处理略有不同。以下分别讲述Modbus／TCP服务器(从站)在TCP／IP协议栈上的实现以及Modbus／RTU主站在串口通信上的实现。
(1)Modbus／TCP通信协议实现
由于操作系统μC／OS_II本身没有TCP／IP协议栈，故先移植嵌入TCP／IP协议栈，再编写Modbus／TCP服务器(从站)程序。在μC／OS_II下嵌入了TCP／IP协议栈后就监听TCP502端口的连接请求，只有在与客户机建立了连接之后才能进行数据处理。服务器端在收到客户机的请求之后，会确认和客户机的连接，同时接收并分析客户机的请求报文。如果MBAP报文头正确，则读完所有的报文，只有协议类型值为0x00时才对请求帧进行下一步操作，否则直接丢弃报文。接着分析PDU中的功能代码，不同的功能对参数要求也不同，最后根据数据域中的参数规定，执行相应的操作。若有错误出现，直接丢弃报文，仍继续处理PDU的数据显得不必要，影响实时性。根据对客户端请求报文的分析处理，有两种响应结果，一种是正常的响应报文，另一种是异常响应报文，即返回的是错误信息。其Modbus／TCP的从站通信流程如图4所示。