CN113381974A

CN113381974A - 一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法

Info

Publication number: CN113381974A
Application number: CN202110488263.1A
Authority: CN
Inventors: 王玉环; 蔡旻; 段娟; 肖创柏
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明公开了一种应用于专用通信的现场总线与Modbus‑TCP之间的协议转换方法，属于工业网络技术领域。该方法包括：基于以工业级ARM处理器和嵌入式技术为基础的协议转换设备，综合分析其监控的终端设备所应用的多种通信协议，提出一种通用的数据字典格式，通过该数据字典与协议之间的映射关系，从而完成总线协议与以太网协议之间的转换过程。本发明通过实现多种协议之间的转换，并应用到用于管理专用通信中协议转换设备的软件系统中，从而实现了远程可配置的多协议转换与数据传输功能。

Description

一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法

技术领域

本发明属于工业网络技术领域，具体涉及一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法。

背景技术

随着通信网络规模的不断发展，其所要维护的通信基站和设备也大量增加。为了更好的维护通信机房中的各类设备，实现远端机房无人化管理，通信站动力及环境集中监控管理系统(简称动环防护监控系统)应运而生。通过该监控系统可以实时监测机房中的各种数据，大大提高了数据通信效率和故障维护质量，成为数据中心机房通信监控的一种必要且有效的手段。在众多专用通信机房的动环防护监控系统集成项目中，UPS、电源、STS、环境参数等各类设备的数据种类繁多，格式差异较大，需要将其调整成统一的协议后再进行集中传输。

与此同时，现场总线和以太网技术的发展给工业控制领域带来了更多机遇，两者融合成为了社会发展的必然趋势。但由于多种总线标准共存，导致设备间的数据传输形式各不相同，为了将工业生产中的数据信息有效结合，亟需一种合理高效的映射关系来解决协议转换的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，以解决工业生产中不同协议之间的数据通信问题，该方法采用如下的技术方案：

应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，包括如下步骤：

S1、以太网协议数据转换成现场总线协议数据，包括如下步骤：

S11、用户通过协议转换系统发送读取被监控设备的命令信息，该命令信息中的数据表现格式为Modbus-TCP协议；

S12、命令信息会通过协议转换设备发送到被监控设备中，在协议转换设备中，解析以太网协议形式的数据包；

S13、提取解析后的字段，与设计的数据字典形成映射关系，从而重新封装成要接收命令信息的被监控设备所应用的现场总线协议；

S2、现场总线协议数据转换成以太网协议数据，包括如下步骤：

S21、被监控设备收到命令信息后，返回对应的响应信息，该响应信息的数据表现形式为其应用的现场总线协议；

S22、响应信息会通过协议转换设备返回到协议转换系统，在协议转换设备中，解析现场总线协议形式的数据包；

S23、提取解析后的字段，与设计的数据字典形成映射关系，并将数据字段存储到协议转换设备的Modbus寄存器地址中，后续再根据需要重新封装成以太网协议的数据包；

所述协议转换设备是一款可用于多种通信协议之间相互转换的硬件设备，提供多路RS232、RS485和以太网口的接入功能，每个通信口可以配置成不同的通信协议。所述被监控设备一般指通信机房动环防护监控系统中的各类设备，包括UPS、电源、STS、空调等设备，这些被监控设备应用着不同的现场总线协议，如电总协议、Modbus-ASCII、Modbus-RTU等。

所述的能与专用通信中的协议构成映射关系的通用数据字典中的字段，包括：可以唯一确定协议帧格式中数据字段的一个或多个功能码字段、数据变量的字节数字段、用来表示数据变量中各数据相对位置的数据地址字段。

所述的将数据包中的数据字段存储在Modbus寄存器地址时的数值转换方法，包括：判断数据是否需要进行数值转换的是否转换字段；表示数据变量从被监控设备中读出时的数据，即原始值最大值/最小值字段；表示数据变量的真实取值范围，即工程值最大值/最小值字段。

本发明的优势和有益效果在于：

(1)本发明能够有效的实现现场总线协议与Modbus-TCP之间的协议转换。通过本发明的协议转换方法，提出一种通用的数据字典格式，即针对通信过程中所应用的协议，提取出功能码和字节数两个字段，与数据字典形成映射关系，最终用功能码、数据地址和字节数来与协议帧格式相互对应，从而唯一的将数据字段提取出来，并存入Modbus寄存器中。

(2)本发明在实现现场总线协议与Modbus-TCP协议转换的同时，还能够遵守数值转换规则，保证数据通信的准确性以及可读性。通过本发明的协议转换方法，提出一种数值转换方法，将从被监控设备中读到的数据以正确的有意义的数值形式表现出来，即首先判断数据变量是否需要进行数值转换，其次利用最大/最小工程值和最大/最小初始值四个字段值来对数据变量进行一定的转换。

(3)本发明在实现现场总线协议与Modbus-TCP协议转换的同时，充分考虑到了后续被监控设备所应用现场总线协议的可扩展性。通过本发明的协议转换方法，其设计的通用数据字典的格式包括四个功能码字段，对于协议帧格式中的功能代码、识别部等可以用来唯一确定数据变量的字段，均可作为数据字典中的功能码，充分考虑了后续可能增加的其他协议类型。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到启发。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1是本发明中Modbus-TCP协议到现场总线协议的转换流程图。

图2是本发明中现场总线协议到Modbus-TCP协议的转换流程图。

图3是本发明中用于跟通信协议形成映射关系的通用的数据字典格式。

图4是本发明中在Modbus寄存器存储数据时对变量数据进行数值转换的流程图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

本申请提供下述实施例，来实现对专用通信中的现场总线协议与Modbus-TCP之间的协议转换，以达到通信过程中的多种协议之间的转换以及数据传输的目的。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请所述的协议转换方法涉及专用通信涉及到的相关用户、协议转换系统、协议转换设备、被监控设备以及各种设备所应用的通信协议。

对于实施例1，所述的协议转换方法具体为电总协议与Modbus-TCP协议之间的转换，涉及用户、协议转换系统、协议转换设备、被监控设备艾默生的UPS电源以及其所应用的电总协议、Modbus-TCP协议、通用的数据字典格式。

表1为所述的电总协议帧格式

字段名

SOI

VER

ADR

CID1

CID2

LENGTH

INFO

CHKSUM

EOI

字节数

1

N

LENGTH/2

2

1

表2为所述的Modbus-TCP协议帧格式

字段名	MBAPHeader	FunctionCode	Data
				字节数	7	1	N

如图1和图2所示，转换过程如下：

用户通过协议转换系统发送命令信息，该命令信息的数据包以Modbus-TCP协议形式表示。在该命令信息通过协议转换设备发送到被监控设备时，由于采用的协议是Modbus-TCP，为了能让被监控设备读懂信息，需要将数据包转换为被监控设备所应用的协议类型。因此对发送的命令信息帧按字段进行解析，之后将Modbus-TCP的Function Code字段与数据字典中的功能码字段相对应，需要说明的是，Modbus-TCP的Data字段中包含字节数和数据两个信息，因此需要将其中的字节数对应到数据字典中，从而提取出协议帧中的数据字段并放入协议转换设备的Modbus寄存器中，通过协议转换系统可以得知要接收命令信息的被监控设备所应用的协议类型，因此再按照该协议类型组装出被监控设备能读懂的协议帧格式，最终以电总协议的形式发送命令信息的数据包到被监控设备，即完成了Modbus-TCP到电总协议的转换。

当被监控设备收到命令信息后，通过解读信息帧中的功能码，即CID1和CID2两个字段，到自己的配置文件中去获取对应的数据信息，然后发送包含该数据信息的响应信息到协议转换设备，收到响应信息后，协议转换设备对该电总协议的信息帧格式按字段进行解析，并通过CID1、CID2、LENGTH等电总协议字段与数据字典的功能码1、功能码2、字节数和数据地址(当字节数大于1时需要依据该字段对被拆分的变量数据进行相对地址的记录)形成映射关系，然后提取出变量数据，即INFO字段，并存储到协议转换设备的Modbus寄存器中，协议转换系统会以Modbus-TCP协议将寄存器中对应的变量数据读取出来，即完成了电总协议到Modbus-TCP的转换。

同理，可以将其他的现场总线协议与Modbus-TCP之间进行转换。

除此之外，所述的数值转换方法是指，在数据通信过程中有一些变量数据无法在被监控设备中以正确的形式表示出来，在存入Modbus寄存器或者从Modbus寄存器取出发送到被监控设备时，需要进行数值形式的转换，这些转换通常为扩大或缩小一定的倍数。为了解决该问题，在数据字典中加入初始值最大值、初始值最小值、工程值最大值和工程值最小值四个字段，其中，初始值最大值/最小值表示的是变量数据从被监控设备中取出的数据值的范围，工程值最大值/最小值表示的是变量数据真实的取值范围(由于变量数据是上下浮动的，因此其数值取自一个范围)。将需要进行转换的数值作处理。其存入Modbus寄存器的转换计算为：存入Modbus寄存器的值＝1.0*从被监控设备中取出的数据值*((工程值最大值-工程值最小值)/(初始值最大值-初始值最小值))，从Modbus寄存器取出的转换计算为：从Modbus寄存器取出的值＝存入Modbus寄存器的值*((初始值最大值-初始值最小值)/(工程值最大值-工程值最小值))。比如，在读取被监控设备中的温度(用摄氏度表示)时，其正常的取值用两位数表示即可，而从被监控设备中读出的数值一般用三位数表示，因此，需要将读出的数值缩小十倍再存入Modbus寄存器中才有其正确的表示意义。

通过对数值的转换计算，可以将数值扩大或缩小一定的倍数，从而实现数值之间不同表现形式的转换，让读到的数据值真正有意义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、Modbus-TCP协议数据转换成现场总线协议数据，包括如下步骤：

S12、命令信息会通过协议转换设备发送到被监控设备中，在协议转换设备中，解析Modbus-TCP形式的数据包；

S2、现场总线协议数据转换成Modbus-TCP协议数据，包括如下步骤：

S21、被监控设备收到命令信息后，返回对应的响应信息，该响应信息的数据表现形式为应用的现场总线协议；

S23、提取解析后的字段，与设计的数据字典形成映射关系，并将数据字段存储到协议转换设备的Modbus寄存器地址中，后续再根据需要重新封装成Modbus-TCP协议的数据包；

所述协议转换设备用于多种通信协议之间相互转换，提供多路RS232、RS485和以太网口的接入功能，每个通信口配置成不同的通信协议。

2.根据权利要求1所述的一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，其特征在于，所述被监控设备指通信机房动环防护监控系统中的各类设备，包括UPS、电源、STS和空调，这些被监控设备应用着不同的现场总线协议，现场总线协议为电总协议、Modbus-ASCII和Modbus-RTU。

3.根据权利要求1所述的一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，其特征在于，能与专用通信中的协议构成映射关系的通用数据字典中的字段，包括：

唯一确定协议帧格式中数据字段的一个或多个功能码字段、数据变量的字节数字段、用来表示数据变量中各数据相对位置的数据地址字段。

4.根据权利要求1所述的一种应用于专用通信的现场总线与Modbus-TCP之间的协议转换方法，其特征在于，将数据包中的数据字段存储在Modbus寄存器地址时的数值转换方法，所述的数值转换方法存在于数据字典的字段中，包括：

判断数据是否需要进行数值转换的是否转换字段；表示数据变量从被监控设备中读出时的数据，即原始值最大值/最小值字段；表示数据变量的真实取值范围，即工程值最大值/最小值字段。