WinCE嵌入式智能高压开关柜与KingSCADA通信中Modbus通信协议应用研究

【摘 要】本文详细介绍了WinCE嵌入式智能高压开关柜与KingSCADA组态软件Modbus通信协议程序实现。为了便于读者更好理解Modbus通信协议，文中简要介绍了Modbus通信协议。WinCE与KingSCADA之间Modbus通信实验过程中遇到的不少问题，本文针对这些问题做了较为详细的阐述，并提出了自己的解决方案，这为需要做这方面应用研究工作提供了宝贵的经验。

【关键词】KingSCADA；Modbus；IED；WinCE

0 引言

随着科学技术的进步，智能电网（Smart Power Grids）概念不断深入和推广，高级组态软件及嵌入式系统在智能电网领域得到了广泛应用，KingSCADA组态软件因其首次引入模型化概念，在智能电网领域得到了广泛应用。WinCE嵌入式系统在智能电网领域也得到了较为广泛的应用，本文将详细介绍WinCE嵌入式系统与KingSCADA组态软件通信中用到的Modbus通信协议及其程序实现。

1 Modbus通信协议

标准的Modbus-TCP协议报文格式规定如下：2字节交互标识、2字节协议标识、2字节报文长度、1字节设备标识、1字节功能码，n字节有效数据。Modbus协议报文分Modbus RTU报文格式和Modbus ASCII模式，数据通信采用标准串行通信协议，两者之间不同的是，ASCII方式用“：”标识帧起始，用“CR LF”标识帧结束，校验采用LRC方式，相当于将RTU帧中一个字节的内容换成了两个ASCII字符。Modbus-TCP中的设备标识，功能码等于Modbus RTU相同，可以认为是在Modbus RTU报文前加了一个帧头，去掉了尾部CRC校验。Modbus协议定义了4种基本数据类型：可读写位数据、只读位数据、只读16位数据、可读写16位数据。这些数据都是一个从地址1开始的数组，访问时需要指明从哪个地址开始访问，访问多少个数据。Modbus协议相当复杂，但是常用的命令主要有：01、02、03、04、05、06、15、16号命令，这些功能号详细定义请参见Modbus协议规范。

2 WinCE下Modbus通信协议及程序编写

Modbus-TCP通信协议是一种主（Master）、从（Slave）半双工通信模式的通信协议，通信体系中需要一个做主（Master）程序，一个做从（Slave）程序。在本通信拓扑结构中，KingSCADA充当Maser角色，工作于TCP Server模式，因此只需要在WinCE系统中编写一个工作于Slave角色的TCP Client程序就可以实现通信。

WinCE系统中Modbus-TCP协议编程实际上很大程度上依赖于TCP Client程序，因此在程序实现上首先完成TCP Client模式通信程序，然后在此基础上封装上Modbus协议即可。关于TCP Client程序流程比较简单，这方面的资料比较多，可以参考资料[3]中435页详细介绍WinCE下TCP客户端和服务端程序编写。为了避免不同的程序模块耦合，实现程序模块化的设计，在程序中定义一个专用TCP Client类CTCPCustom_CE，该类提供了五个回调函数，这样方便用户使用CTCPCustom_CE类。这五个回调函数是OnClientConnect、OnClient Read、OnClientClose、OnClientError、OnServerError。这五个函数分别实现的功能是客户端连接成功事件、客户端接收数据事件、客户端断开连接事件、客户端错误处理事件、服务端错误事件。

要实现Modbus通信，最关键的是如何接收上位机发出的命令，然后下位机根据这些不同的指令做出相应的回应。为了便于程序实现，在VS2005智能设备应用程序中需要创建一个基于对话框名叫CSmartStatePowerGridDlg应用程序，为了方便起见，以下都叫该应用程序为上层应用程序。在上层应用程序中OnClientRead回调函数发送的WM_RECV_TCP_DATA消息映射到上层应用程序OnRecvTCPData函数，当上层应用程序收到消息后，系统调用OnRecvTCPData函数， OnRecvTCPData函数会从OnClientRead回调函数指定的缓冲区获取数据，然后将这些数据拷贝到新的缓冲区进行解析处理。

图1 Modbus-TCP协议解析程序流程图

WinCE系统中OnClientRead回调函数程序代码比较简单，当TCP客户端类CTCPCustom_CE接收到上位机KingSCADA下传命令时，WinCE上层应用程序收到该消息后，从指定位置拷贝数据，然后进行解析。WinCE上层应用程序会根据收到的指令不同做出相应的回应。这些指令区别是通过功能码进行区分的，KingSCADA中常用Modbus功能码主要有3个，即3号、6号、16号功能码。3号功能用于轮询下位机状态或读取数据，6号命令用于发送二进制命令数据，如开关控制信息，16号功能用于下传模拟参数，如设定温度，压力等数据。OnClientRead回调函数示例代码如下：

Modbus协议解析程序相对要复杂得多，程序复杂程度取决于解析功能码的个数，为了简单起见，程序用流程图表示。实际上KingSCADA常用是3、6、16号功能码，因此，本程序流程只设计了这三个功能码处理流程，Modbus-TCP协议解析流程图参见图1，从图1来看，程序流程含义如下，当OnClientRead回调函数收到上位机数据时，首先保存数据到临时缓冲区，然后发送WM_RECV_TCP_DATA消息通知WinCE上层应用程序，WinCE上层应用程序收到该消息后，执行OnRecvTCPData函数，初始化缓冲指针，动态分配内存空间，从OnClientRead回调函数指定的缓冲区中拷贝数据，开始检查是否是有效Modbus协议指令数据，如果是合法指令数据，获取设备地址、功能号等信息。如果是3号功能，该功能表示上位机轮询下位机状态和数据，下位机将状态和数据按照Modbus协议要求封包，然后上传给KingSCADA，上传完后释放内存资源，退出程序；如果是6号功能，该功能表示上位机传送的是开关命令，下位机获取开关命令信息，解析开关命令，开始执行开关命令操作，最后释放内存资源，程序退出；如果是16号功能码，该功能码表示上位机下传模拟数据，下位机解析数据，然后向上位机发送应答指令，最后释放内存资源，退出程序；如果是非法或未定义指令，下位机不予处理，直接释放内存资源，退出程序。

3 通信测试

WinCE嵌入式高压开关柜与KingSCADA数据通信测试，在实际通信测试中，需要在KingIOServer中创建一个基于ModbusMaster链路，然后创建一个基于ModbusTCP的通信设备，设置好通信参数，在设备诊断中添加各种变量。在KingSCADA中数据词典创建若干个IO变量，以便于这些变量与KingIOServer设备诊断中变量一致，然后把这些变量关联到对应的开关或状态显示点，启动KingIoServer就可以实现通信。通过实验测试，WinCE智能开关柜中的各种状态信息，能正确上传到KingSCADA中。

需要注意的是，由于在Modbus协议中一般规定寄存器数据按字（Word）存储，即一个寄存器占2个字节空间，而KingSCADA中规定Long型数据或Float型数据使用2个字，即4个字节，浮点数采用IEEE-754标准，存储一个浮点数占用4字节存储空间，这4个字节上传有四种组合方式，具体可以参考KingSCADA驱动帮助文档。因此，WinCE上层应用程序在发送Long型数据或Float数据时，应注意字节顺序。如果在同一组数据变量中，有Word型变量和Long型变量或Float变量混合时，KingSCADA会将不同类型的数据分成几个数据包轮询。否则，通信可能会带来意想不到的问题。

4 结论

由于Modbus协议是一种基于主（Master）、从（Slave）模式半双工通信方式的协议，因此该协议仅仅适用于数据传输量不大、实时性要求不高的工业控制设备中。实验证明WinCE嵌入式高压开关柜与KingSCADA通信采用Modbus通信协议数据传输非常稳定可靠，完全满足高压开关柜的各种状态及控制命令传输，但是对于非周期性数据及实时性极强的数据，如断路器合闸线圈电流、断路器合闸行程参数、断路器分闸线圈电流、断路器分闸行程参数、储能电机电流等突发性极强的数据，仅仅通过Modbus通信协议传输这些数据是非常困难的，要解决这些问题，必须在这个基础上做一些技术改进。由于KingSCADA支持ODBC和OLEDB方式快速访问数据库，用户可以将这些具有突发性的数据先写入数据库中，然后KingSCADA通过ODBC或OLEDB方式访问数据库实现数据传输，通过这种方法能很好地解决这个问题。

【参考文献】

[1]王德文，阎春雨，毕建刚，袁帅.变电站状态监测通信网关中Modbus与IEC 61850的映射方法[J].电力系统自动化，2012（19）.

[2]尚秋峰，陈于扬，姚国珍，李灏.基于Wince嵌入式内核的新型电力参数实时测量系统[J].电力系统保护与控制，2010，38（22）.

[3]汪兵，编著.Windows CE嵌入式高级编程及其实例详解[M].中国水利水电出版社，2008，7.

[责任编辑：丁艳]

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