Diplomarbeit. Implementierung eines Protokolls zur Anbindung von Mess- und Steuerungsmodulen auf der Basis von 8-bit Mikrocontrollern an einen PC

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1 Diplomarbeit Implementierung eines Protokolls zur Anbindung von Mess- und Steuerungsmodulen auf der Basis von 8-bit Mikrocontrollern an einen PC Vorgelegt am: 01. September 2008 Von: Eric Petzold Südstraße Hohenstein-Ernstthal Studienrichtung: Informationstechnik Studiengang: Medientechnik/Netzwerktechnik Seminargruppe: IT 05/02 Matrikelnummer: Praxispartner: COLOUR-CONTROL Farbmesstechnik GmbH Bornaer Str Chemnitz Gutachter: Dipl. Ing. Daniel Gericke (COLOUR-CONTROL) Prof. Dr. Matthias Stopje (Studienakademie)

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Bilderverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Seite I III IV V 1 Einleitung IMIBAS Modbus RTU Ziel 2 2 Definition des Protokolls Adressierung Fehlererkennung Module des IMIBAS Function Codes Benötigte Kommandos Modbus Map Datentypen Erstellen einer Modbus Map Zusammenfassung Protokolldefinition 13 3 Entwurf eines Protokollgateways Der FT Modbus RTU Message Framing USB Erläuterung der Endpunkte Pipes und deren Bedeutung Die USB Transferarten Control Transfer Isochronous Transfer Bulk Transfer Interrupt Transfer Gegenüberstellung der Transferarten Zusammenfassung zum Protokollgateway 23 4 Implementierung des Modbus Slave Beschreibung Starterkit AVR STK I -

3 4.2 Mikrocontroller ATmega Prozessorarchitektur des ATmega RISC-Prozessor Einarbeitung in die Mirkocontrollerprogrammierung UART FreeMODBUS Implementierung Anpassung an die Hardwareumgebung Konfiguration von FreeMODBUS Testen des Protokolls Vervollständigen des Protokollstacks Testen am Praxisbeispiel Zusammenfassung der Protokollimplementierung 42 5 Implementierung eines Win32 Modbus Masters Eingliedern der DLL ins Projekt Statische Einbindung Dynamische Einbindung Anpassen an die Hardware Funktionen des IMIBAS Modbus Master Steuerung der LEDs Nutzung der Taster Zusammenfassung IMIBAS Modbus Master 50 6 Zusammenfassung Ausblick 53 Anhang 54 Quellenverzeichnis 64 Ehrenwörtliche Erklärung 67 - II -

4 Bilderverzeichnis Bild 1: Übersicht Backplane und Moduleinschübe, Adressierung 4 Bild 2: Aufteilung des Adressraumes bei Modbus 4 Bild 3: Modbus Datenrahmen 13 Bild 4: Blockschaltbild FT2232D 15 Bild 5: Modbus RTU mit Parität 16 Bild 6: Modbus RTU ohne Parität 16 Bild 7: 1,5t Modbus RTU Message Framing 17 Bild 8: 3,5t Modbus RTU Message Framing 17 Bild 9: USB Blockdiagramm 18 Bild 10: Endpunkten und Funktionen am Beispiel FT2232D 19 Bild 11: Extrahieren der Modbus PDU aus der Modbus ADU 25 Bild 12: Schichtenmodell Modbus Slave 25 Bild 13: vereinfachte Darstellung der von Neumann und Harvard Architektur 27 Bild 14: FreeMODBUS Zustandsdiagramm 31 Bild 15: FreeMODBUS Übergabebuffer und Übergabefunktionen 40 - III -

5 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Beispiele für verschieden Generatorpolynome 5 Tabelle 2: Zuordnung Function Code zur jeweiligen Kategorie 9 Tabelle 3: IMIBAS Systemkommandos und zugehöriger Function Code 10 Tabelle 4: Standard Modbus 11 Tabelle 5: Messwerte und deren mögliche Datentypen 11 Tabelle 6: Auftretende Datentypen und deren Größe 12 Tabelle 7: Übersicht Modbus Tabellen für IMIBAS 12 Tabelle 8: Modbus Tabelle für Modulinformationen 13 Tabelle 9: Control Transfer Limits bei USB Tabelle 10: Isochronous Transfer Limits 21 Tabelle 11: Bulk Transfer Limits für Full-Speed Devices 21 Tabelle 12: Interrupt Transfer Limits für USB Tabelle 13: Gegenüberstellung der Transferarten für USB Tabelle 14: Übersicht von FreeMODBUS unterstütze Funktionen 30 Tabelle 15: Zuordnung zwischen der Register Adresse und LEDs 47 - IV -

6 Abkürzungsverzeichnis ADU API BSD CISC COFF CRC EEPROM Host-IF ID IEEE IMIBAS MAC PC PDU RISC RTU SPI SRAM TTL UART USB VCP Application Data Unit Advanced Programming Interface Berkeley Software Distribution Complex Instruction Set Computing Common Object File Format Cyclic Redundancy Check Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Host Interface Identifier Institute of Electrical and Electronics Engineers Integriertes Mess- und Inbetriebnahme System Media Access Control Personal Computer Protocol Data Unit Reduced Instruction Set Computing Remote Terminal Unit Serial Peripheral Interface Static Random Access Memory Transistor-Transistor Logic Universal Asynchronous Receiver and Transmitter Universal Serial Bus Virtual Com Port - V -

7 1 Einleitung Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein Protokoll zu implementieren, welches die Anbindung an einen PC oder Host-IF von Mess- und Steuermodulen auf der Basis von 8-bit Mikrocontrollern ermöglicht. Das hierzu verwendete Protokoll Modbus RTU wurde während der Studienarbeit ausgewählt. Es soll dazu dienen, die Kommunikation auf der Backplane des von der Firma COLOUR-CONTROL GmbH entwickelten Mess- und Inbetriebnahmesystems IMIBAS sicherzustellen. 1.1 IMIBAS IMIBAS von der Firma COLOUR-CONTROL GmbH ist ein sich in Entwicklung befindliches Integriertes Mess- und Inbetriebnahmesystem. Als automatisches Messsystem soll es dazu genutzt werden, um die bei Inbetriebnahme, Produktqualifizierung und Produkttests benötigten Stimuli einzuspeisen, sowie Systemantworten zu beobachten und gegebenenfalls Kennlinien beziehungsweise Kennlinienfelder aufzunehmen. Dieses System soll dem heutigen Stand der Technik entsprechen, modular erweiterbar und universell einsetzbar sein. Das System soll per USB an einen PC anschließbar und steuerbar sein. 1.2 Modbus RTU Modbus ist ein offenes Protokoll, was 1976 von Modicon entwickelt wurde. Mittlerweile wird Modbus von der Modbus-IDA betreut. Es handelt sich hierbei um ein Master-Slave Protokoll, was auf der Basis von RS232 eine Punkt zu Punkt Verbindung, oder auf der Basis von RS485 den Aufbau einer Bustopologie mit bis zu 32 Teilnehmer pro Segment ermöglicht. Modbus bietet innerhalb der Spezifikationen und gewähltem Treiberbaustein für RS-232/485 frei wählbare Datenraten von 9,6 bis Kbit/s. Der Adressraum des Protokolls beträgt 8 Bit und stellt nach Abzug aller für Sonderzwecke reservierter Adressen 247 frei wählbare Adressen zur Verfügung. Die Nutzdatenlast ist von 0 bis 252 Byte frei skalierbar. Weiterhin ist in dem Protokoll ein 8 Bit großes Funktionsfeld vorgesehen, sowie ein CRC-16 als Prüfsumme

8 1.3 Ziel Als Ergebnis der Diplomarbeit soll ein fertiges Protokoll stehen, was an einem vorgegebenen Versuchsaufbau implementiert und getestet wird. Es soll ein Protokoll- Gateway existieren, der stellvertretend für das Host-IF des IMIBAS die Anbindung des Versuchsaufbaus an einen PC über USB ermöglicht. Für den PC ist in C++ ein Programm zu entwickeln, was einfache Funktionen zur Vorführung und Steuerung des Versuchsaufbaus bereitstellt

9 2 Definition des Protokolls Für die Kommunikation zwischen Host-IF des IMIBAS und den Mess- und Steuermodulen, muss ein Kommunikationsprotokoll definiert werden. Unter einem Protokoll versteht man die exakte Vereinbarung von Regeln und Formaten, die das Kommunikationsverhalten zwischen zwei Kommunikationspartnern bestimmen. Die Struktur des verwendeten Modbus-Protokolls setzt sich aus Adressierung, Function Codes, Daten und Prüfsumme zusammen. Im Nachfolgenden sollen diese Bestandteile näher erläutert werden. Über eine Analyse der möglichen Module des IMIBAS sollen Festlegungen getroffen werden, welche Functions-Codes des Modbus Standards zu implementieren sind und welche Daten bereitgestellt werden. (Vergleiche WIKI 2008a) 2.1 Adressierung Die Module des IMIBAS Systems werden geographisch adressiert. Das bedeutet, dass die Adressen fest mit dem jeweiligen Steckplatz in Beziehung zu bringen sind. Als Adressraum stehen hier 4 Bit zur Verfügung. Der Wert der ersten drei Bits wird durch die logische Schaltung auf der Backplane festgelegt. Aufgrund der geteilten Backplane ist das vierte Adressbit ist auf dem Einschub, beziehungsweise Modul per Jumper zu setzen. Eine grafische Darstellung ist Abbildung 1 zu entnehmen

10 Einschub Backplane VCC:Slot_1 GNG_Slot_1 Adresse VCC:Slot_1 GNG_Slot_1 Adresse Bit0=1 Bit1=0 Bit2= Backplane n-3 n-2 n-1 n Bild 1: Übersicht Backplane und Moduleinschübe, Adressierung Somit kann durch eine Statusabfrage aller Steckplätze nach Einschalten des IMIBAS festgestellt werden, wo welches Modul zu finden ist. Eine weitere mögliche Variante der Adressierung wäre die feste Zuordnung von Adressen zu den einzelnen Modulen, ähnlich den MAC-Adressen im Ethernet Netzwerk. Das würde allerdings, wenn mehrere gleiche Module im IMIBAS eingesteckt wären, ständig zu Kollisionen führen und die direkte Abfrage einzelner Module unmöglich machen. Für das eigentliche Protokoll ist ein Adressraum von 8 Bit vorgesehen. Damit lassen sich theoretisch 256 Slaves adressieren. Zieht man die reservierte Adressen und die Broadcastadresse ab, bleiben praktisch 247 zur Adressierung von Slaves übrig. Dies scheint mit Blick auf die Kapazität eines 19 Rackgehäuses von maximal 13 Einschüben und hardwareseitig realisierten 4 Adressbits überdimensioniert, ist aber in Hinsicht auf Erweiterbarkeit sinnvoll. Abbildung 2 zeigt die Verteilung des Adressraumes beim Modbus Protokoll. (Vergleiche MOD 2006a, S. 8) Broadcast Adressen für Slaves Reservierte Adressen Bild 2: Aufteilung des Adressraumes bei Modbus (Vergleiche MOD 2006a, S. 8) - 4 -

11 2.2 Fehlererkennung Während der Übertragung der Daten können Fehler auftreten, verursacht zum Beispiel durch äußere Störeinflüsse, wie zum Beispiel Burstfehler oder Bitkipper. Das kann dazu führen, dass die Daten vom Empfänger gar nicht oder falsch interpretiert werden. Je nach Häufigkeit und Größe der Fehler und in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Übertragung müssen Vorkehrungen zur Erkennung und gegebenenfalls Korrektur getroffen werden. Ein bekanntes Verfahren zur Fehlererkennung, was auch hier zur Anwendung kommt, ist die zyklische Redundanzprüfung. Von fehlerkorrigierenden Verfahren wird hier abgesehen, da der zusätzliche Aufwand im Gegensatz zum einfachen Verwerfen fehlerhafter Nachrichten und anschließendem Neuversenden zu groß ist. Bei der zyklischen Redundanzprüfung, im weiteren Bezug CRC genannt, werden die einzelnen Bits einer Bitfolge als Polynom interpretiert. (Vergleiche KOW 2004) Bsp.: = 1 x + 1 x + 0 x + 1 x + 1 x N(x) Nutzdatenpolynom 0 = N(x) Dieses Polynom wird beim Sender durch das Generatorpolynom G(x) dividiert. Der aus dieser Division entstandene Rest, welcher von der Länge g-1 ist, wobei g der Grad des Generatorpolynoms ist, wird an die Nutzdaten angehängt und versand. Beim Empfänger werden die Nutzdaten und der angehängte Rest wiederum durch das Generatorpolynom geteilt. Wenn der Rest dieser Division gleich Null ist, war die Übertragung fehlerfrei. Gebräuchliche Generatorpolynome sind: Name Generatorpolynom CRC x + x + x + x CRC-CCITT x + x + x + x CRC x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + x Tabelle 1: Beispiele für verschieden Generatorpolynome (Vergleiche KOW 2004) - 5 -

12 Beispiel: Division beim Sender Nutzdaten: Generator: Generatorpolynom hat den 6. Grad, das bedeutet man muss an die Nutzdaten 5 Nullen anhängen. Danach folgt die Polynomdivision beider Polynome auf Basis der modulo-2 Rechnung. In der unten aufgeführten Rechungen ist der Rest, welcher am Anfang nur aus den 5 angehängten Nullen besteht, rot hinterlegt, das Generatorpolynom gelb Der bei dieser Division errechnete Rest wird nun an die Nutzdaten angehangen. Sende: Der Empfänger dividiert die empfange Bitfolge ebenfalls durch das Generatorpolynom. Division beim Empfänger

13 Wie oben bereits erwähnt, bedeutet ein Rest gleich Null, dass die Übertragung fehlerfrei durchgeführt wurde. Grundsätzlich gilt für jedes Generatorpolynom des CRC: es erkennt genaunau ein falsches Bit Polynome mit einer geraden Anzahl an Termen erkennen alle Fehler mit einer ungeraden Anzahl an fehlerhaften Bits Polynome vom Grad g erkennen jeden Burst Error, zu deutsch Bündelfehler, dessen Länger nicht größer als g ist. Polynome vom Grad g erkennen bei einem Burst Error der Länge g+1 alle Fehler bis auf einen. Polynome vom Grad g erkennen sämtliche 2-Bit Fehler, die nicht in einem Vielfachen des Periodenabstandes des maximalen Generatorbitfilters zu G(x) liegen. (Vergleiche KOW 2004) Im wesentlich bedeutet das für das eingesetzte Generatorpolynom CRC-16, erkennt alle 2-Bit Fehler, erkennt alle ungeradzahligen auftretenden Fehler, erkennt alle Burst Errors kleiner als 16 Bit und das alles mit einer maximalen Bitfilterlänge von = Bits. Demnach sind alle Blöcke bis zu einer Größe von 4095 Byte optimal geschützt. (Vergleiche KOW 2004) - 7 -

14 2.3 Module des IMIBAS In diesem Kapitel werden die möglichen Modulen des IMIBAS genannt und kurz vorgestellt, um überleitend einen besseren Blick auf die benötigten Functions-Codes und Datenstrukturen zu erhalten. Laut Lastenheft sind im Moment Module mit folgenden Funktionen vorstellbar: Generieren: Strom, Spannung elektronische Last Frequenz- und Wobbelgenerator digitale Signal (Bitfolgen, TTL) Messen: Temperatur Strom, Spannung Frequenz (Sinus, Rechteck, Dreieck, Sägezahn, Impuls, Rampen) digitale Signal (Pegel) Widerstand Dioden, Durchgang Langzeitmessgeräte Drehzahl Als Module für das IMIBAS sind im Moment Laborstromversorgung und elektronische Last in Entwicklung. Im Moment kann keine detaillierteren Aussagen getroffen werden, bis auf die, dass es sich bei den anfallenden Daten um einzelne bis zu 32 Bit große Werte, oder Felder aus Werten der gleichen Größe handelt. Es ist keines Falls mit Datenströmen, sogenannten Streams zu rechnen - 8 -

15 2.4 Function Codes Für Function Codes sind im Modbus-Datenpaket 8 Bit vorgesehen. Durch ihn teilt der Master dem Slave mit, auf welches Register er wie zugreifen soll. Wie die Daten des Slave im Register organisiert werden, wird unter 2.5. Modbus Map besprochen. Die Function Codes sind in drei Kategorien eingeteilt, den Public Function Codes, User- Defined Function Codes und den Reserved Function Codes. Unter Public Function Codes fallen diejenigen, die von der Modbus-IDA validiert wurden. Sie sind allgemein getestet, öffentlich dokumentiert, sowie eindeutig definiert und garantiert einzigartig. User-Defined Function Codes sind vom Benutzer definierte Funktions-Codes. Diese Codes sind auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten, nicht standardisiert und damit nicht öffentlich dokumentiert. Es kann nicht garantiert werden, dass diese Funktions-Codes einzigartig sind. Die Reserved Function Codes sind Funktions- Codes, die von Firmen für lizenzierte Produkte genutzt werden. Diese Codes sind nicht für die Öffentlichkeit verfügbar. Die für die einzelnen Kategorien der Funktions- Codes zugewiesenen Bereiche sind in Tabelle 2 zu dargestellt. Function-Code dezimal Beschreibung 1-64 Public Function Codes User-Defined Function Codes Public Function Codes User-Defined Function Codes Public Function Codes Tabelle 2: Zuordnung Function Code zur jeweiligen Kategorie (Vergleiche MOD 2006b) Benötigte Kommandos Um die unter Punkt 2.3. Module des IMIBAS aufgelisteten Funktion zu erfüllen, beziehungsweise die bereitgestellten einzelnen Messwerte und Messreihen der Module auszulesen und über das Host-IF an den PC senden zu können, sind zum einen Kommandos zum Lesen einzelner Werte, zum anderen Kommandos zum Lesen zusammenhängender Wertereihen der Länge n nötig. Bei Modbus wird das durch die Kommandos Read Input Register und Read Holding Register erreicht. Da auch Stimuli eingespeist werden soll, müssen Kommandos zu Verfügung gestellt werden, um einzelne Daten oder Datensätze vom Master zum Slave senden zu - 9 -

16 können. Das wird durch die Kommandos Write Single Register und Write Multiple Register möglich. Zum Lesen und Schreiben diskreter Werte, wie es zum Aufnehmen beziehungsweise Anlegen von TTL-Signalen der Fall wäre, existieren bei Modbus gesonderte Kommandos. Diese Kommandos sind Read Discrete Input, Read Coils, Write Single Coil und Write Multiple Coil. Auf die Bedeutung der einzelnen Register wird im nachfolgenden unter 2.5. Modbus Map genauer eingegangen. Um feststellen zu können, welche Art von Modul sich am jeweiligen Steckplatz befindet, ist zusätzlich zu den verschiedenen Read/Write-Kommandos eine Statusabfrage nötig. Diese Statusabfrage soll die ID des Moduls, den Status, sowie zusätzliche Daten auslesen, die zur Beschreibung des Modules und dessen Funktionen nötigt sind. Diese Anforderungen werden durch das Kommando Report Slave ID abgedeckt. In folgender Tabelle 3 sind die genannten Befehle mit ihren zugehörigen Function Codes aufgeführt. Function Code Dez Hex Zugriffsart Registerbezeichnung Read Discrete Output Coils Write Single Discrete Output Coils 15 0F Write Multiple Discrete Output Coils Read Discrete Input Contacts Read Analog Input Register Read Analog Output Holding Register Write Single Analog Output Holding Register Write Multiple Analog Output Holding Register Read Slave Device ID Tabelle 3: IMIBAS Systemkommandos und zugehöriger Function Code (Vergleiche SIMMOD 2007) 2.5 Modbus Map Bei Modbus werden die Daten in 4 verschiedene Tabellen gespeichert. Davon sind je 2 Tabellen für 1 Bit Werte, sogenannte Coils, und je 2 Tabellen für numerische 16 Bit Werte vorgesehen. Die Tabellen für numerische 16 Bit und 1 Bit Werte teilen sich wiederum in eine Read-Only und eine Read/Write Tabelle auf. Pro Tabelle sind 9999 Werte vorgesehen. Jedem Wert in einer Tabelle ist eine Adresse zwischen 0x

17 und 0x270E zugewiesen (Vergleiche SIMMOD 2007). Daraus ergibt sich folgende Übersicht. Coil/Register Nummer Adresse Type Tabellen Name E Read/Write Discrete Output Coils E Read Discrete Input Coils E Read Analog Input Registers E Read/Write Analog Output Holding Register Tabelle 4: Standard Modbus (Vergleiche SIMMOD 2007) Unter Coils versteht man bei Modbus 1 Bit Werte, jedes Register ist 2 Byte groß. Die einzelnen Werte werden über einen Offset und die jeweilige Adresse angesprochen, zum Beispiel ein Wert im Analog Input Register über den Offset und die dazugehörige Adresse zwischen 0000 und 270E. Da es für jede Tabelle spezielle Lese- und Schreibbefehle gibt, wird in den Paketen nur die Zieladresse E übermittelt. (Vergleiche SIMMOD 2007) Datentypen Um eine Map erstellen zu können, muss zuerst festgestellt werden, mit welchen Werten von den Modulen gerechnet werden kann. Nach Abschnitt 2.3. sind die in Tabelle 5. aufgelisteten Größen zu erwarten. Beschreibung Datentyp Größe in Bit Temperatur Float 32 Status On/Off Boolean 1 Spannung Short Integer 16 Spannung Float 32 Strom Short Integer 16 Strom Float 32 Frequenz Short Integer 16 Zeit Long Integer/Float 32 Widerstand Short Integer 16 Tabelle 5: Messwerte und deren mögliche Datentypen Zusammengefasst treten in Tabelle 6 aufgeführte Datentypen auf. Gleitkommazahlen werden nach der IEEE 754 kodiert

18 Datentyp Größe in Bit Boolean 1 Unsigned Short Integer 16 Signed Short Integer 16 Unsigned Long Integer 32 Signed Long Integer 32 Float (IEEE 754) 32 Tabelle 6: Auftretende Datentypen und deren Größe Erstellen einer Modbus Map Eine Modbus Map wird in der Regel für einen bestimmten Slave erstellt. Das bedeutet, dass für jedes Messmodul und Inbetriebnahmemodul eine Map zu definieren ist. Da aber der volle Umfang der Module und ihre jeweiligen Funktion im Detail noch nicht feststehen, ist es sinnvoller, eine abstrakte Modbus Map zu erstellen. Darin wird nur festgelegt, in welchem Adressbereich sich welcher Datentyp befindet. Da pro Messreihe in der Regel nicht mehr als 100 Messwerte gemessen werden, sind 999 Werte für jeden Datentypen mehr als ausreichend und bieten zugleich angemessen Spielraum für zukünftige Erweiterungen. Das Gleiche trifft auf die Tabelle für Modulinformationen, Status und Konfiguration zu. Nummer Tabellenname Format Konfiguration Bool Status Bool Modulinformation UChar Ungerade Ganzzahlig 16 Bit UInt Gerade Ganzzahlig 16 Bit Int Ungerade Ganzzahlig 32 Bit UInt Gerade Ganzzahlig 32 Bit Int Gleitkomma Float Tabelle 7: Übersicht Modbus Tabellen für IMIBAS Diese Einteilung ist für jedes Modul des IMIBAS gleich. Wie weiter oben erwähnt, ist die einzige Tabelle, die sich in Hinsicht auf alle möglichen Module näher definieren lässt, die Tabelle mit den Modulinformationen als Inhalt

19 Nummer Beschreibung Format Geräte Typ UChar Hardware Version UInt Geräte ID UInt Steckplatz/Adresse UInt Software Version UInt 16 Tabelle 8: Modbus Tabelle für Modulinformationen 2.6 Zusammenfassung Protokolldefinition Der von Modbus bereitgestellte Adressraum von 8 Bit deckt die an ihn gestellten Anforderungen ab. Die Adressen sind hart verdrahtet. Die Zuweisung erfolgt über den jeweiligen Steckplatz. Die 8 Bit, die für den Function-Code vorgesehen sind, reichen ebenfalls aus, alle gewünschten Funktionen der Slaves zu codieren und bei Bedarf zu erweitern. Die vom Modbus Standard bereitgestellten Funktionen decken die Anforderungen ebenfalls ab. Zur Fehlererkennung wird CRC-16 eingesetzt, welcher weitere 16 Bit zum Datenrahmen beiträgt. Letztendlich bleiben noch 252 Byte für Nutzdaten übrig, wie in Abbildung 3 dargestellt. Ziel Adresse 1 Byte Funktionscode 1 Byte Nutzdaten Byte Bild 3: Modbus Datenrahmen (Vergleich MOD 2006a) CRC 2 Byte Die Modbus Map ist ebenfalls am Standard ausgerichtet. Die in festgelegte Map gilt geräteübergreifend, dass heißt für jedes im IMIBAS eingesetzte Modul. Details und eventuelle modulspezifische Anpassungen müssen in der Modulbeschreibung festgehalten werden

20 3 Entwurf eines Protokollgateways Die Verbindung zwischen IMIBAS und PC soll per USB erfolgen. Es muss also entweder eine Konvertierung des Protokolls erfolgen, indem ein Protokollgateway eingesetzt wird, oder es erfolgt ein einfaches Tunneling des Protokolls. Letzteres ist sinnvoller, da der PC als Modbus Master fungiert, und somit eine Konvertierung von Modbus RTU zu USB und nachfolgend von USB zu Modbus RTU nur erheblicheren Mehraufwand bedeuten würde. Ein zusätzliches Problem, was sich durch eine Konvertierung durch einen echten Gateway ergeben würde, wäre der Verlust wichtiger Informationen. Bei der Konvertierung durch einen Gateway wird der Header des beim Übergang von einem Netz ins andere entfernt und durch den neuen Header ersetzt. Die PDU des Modbus Datenpaketes wird gegebenenfalls übersetzt und anschließend um den Header des neuen Protokolls ergänzt. Es würde zu einer ungewollten Änderung des Modbus ADUs kommen. Im Host-IF wird also nicht ein Protokollgateway im eigentlichen Sinne eingesetzt, sondern es erfolgt ein verpacken oder einkapseln des Modbus Datenpaketes in ein USB Paket, welches dann an den PC transportiert wird. Die Payload des USB Paketes, also das eigentliche Modbus Paket, landet dann als solches beim Modbus Master, wo es weiterverarbeitet wird. Das Tunneling an sich kann dadurch erreicht werden, dass ein handelüblicher Mikrocontroller mit USB Schnittstelle herangezogen wird und man sich selbst mit Programmierung des USB Interfaces auseinandersetzt. Eine andere Lösung ist, nicht zuletzt in Hinblick auf den zu investierenden Zeitaufwand, der Einsatz einer Baugruppe von FTDI, der FT2232D. Das die Entscheidung für den FT2232D von FTDI und nicht auf vergleichbare Produkte wie zum Beispiel der CP2102 von Silicon Labs fiel, liegt einfach da dran, dass die Firma COLOUR-CONTROL schon Erfahrungen im Einsatz dieser Bausteine gesammelt hat. 3.1 Der FT2232 Der FT2232 ist ein Chip der Firma FTDI. FTDI steht für Future Technologie Device International Ltd. Bei FT2232 handelt es sich um einen Dual UART zu USB Chip. Das USB Protokoll ist in die Hardware implementiert, sodass keine Programmierung einer USB Firmware nötig ist. Die USB Schnittstelle ist USB 2.0 kompatibel. Als Full

21 Speed Device können Geschwindigkeiten bis zu 12 MBit/s erreicht werden. Weiterhin wird der USB Bulk Transfer Modus und der Isochrone Transfer Modus unterstütz. Die beiden UARTs lassen sich unabhängig von einander als RS232, sowie RS422/485 Schnittstellen betreiben. Sie unterstützen Hardware- sowie Software-Handshaking, 7/8 Bit Data inklusive 1/2 Stopbits, sowie Bits für Even/Odd Parity. Somit besteht die Möglichkeit, 8 Datenbits wie bei Modbus RTU durch 11 Bits darzustellen (Vergleiche MOD 2006a, S.12). Auf beiden UARTs sind Transferraten zwischen 300 und 1MBd (RS232), beziehungsweise 300 bis 3MBd (RS422/485 auf TTL Level) erreichbar. Zusätzlich bietet FTDI auf ihrer Homepage kostenlos den virtuelle COM-Port Treiber VCP an, der es PC Software ermöglicht, die USB Schnittstelle des FT2232 als COM- Port via Windows eigener VCOMM API anzusprechen. (Vergleiche FTDI 2006a und FTDI 2006b) FTDI 2232D Kanal A UART USB USB Transceiver Serial Interface Engine Kanal B UART Bild 4: Blockschaltbild FT2232D (Vergleiche FTDI 2006b, S.7) 3.2 Modbus RTU Message Framing Der Modbus Datenpaket hat eine Größe von 64 bis 256 Byte. Um festzustellen, wo ein Datenpaket beginnt und wo beziehungsweise wann es endet, müssen Vereinbarungen getroffen werden, wie der Anfang und das Ende eines Datenpaketes aussehen beziehungsweise auszusehen hat. Dieser Anfang und Ende eines Datenpaketes wird Datenrahmen genannt. Die einzelnen Vereinbarungen für den Start und das Ende werden als Delimiter bezeichnet. Es sind drei verschieden Möglichkeiten zur Erstellung eines Datenrahmens denkbar: Delimiter im Bitformat, also eine festgelegte Bitreihenfolge von fester Länge, die für ein einzelnes Datenpaket einzigartig sind

22 Nur der Start wird durch eine Bitreihenfolge gekennzeichnet, anschließend erfolgt die Angabe der Länge des Datenpaketes. Die Delimiter werden durch Ruhezeiten festgelegter Länge auf dem Bus umgesetzt. Bei Modbus RTU wird das Datenpaket durch Pausen auf dem Bus von einer Länge von mindestens dem 3,5fachen der Übertragungszeit für einen RS485 Character begrenzt. Um die Länge eines RS485 Characters zu erläutern, muss ein Blick auf die Bitübertragungsschicht geworfen werden und wie RS485 auf dieser Schicht das Modbus Datenpaket überträgt. RS485 zerlegt das Datenpaket an sich in 8 Bit große Segmente. Diese 8 Bit Segmente werden mit je einem Startbit, Stopbit und zur Fehlerkontrolle mit einem Bit für die Parität versehen, wobei die Möglichkeit zur Nutzung der Parität vom Treiberbaustein und dessen Konfiguration abhängt. Falls keine Parität verwendet wird, wird ein zweites Stopbit gefordert, sodass am Ende in jedem Fall aus dem 8 Bit Segment ein 11 Bit langes Segment entsteht. In der Spezifikation für Modbus over serial line wird auf dieses Segment als Character Bezug genommen, um den Datenrahmen zu beschreiben. In den folgenden Abbildungen 5 und 6 sind beide Bitsequenzen grafisch dargestellt. Modbus RTU Character mit Partity Check Start Parity Stop Bild 5: Modbus RTU mit Parität (Vergleiche MOD 2006a, S.12) Modbus RTU Character ohne Partity Check Start Stop Stop Bild 6: Modbus RTU ohne Parität (Vergleiche MOD 2006a, S.12) Datenpakete sollen als fortlaufender Datenstrom übertragen werden. Da diese jedoch Segmentiert werden, muss zwischen den Segmenten ein maximaler Abstand definiert werden, um dies zu gewährleisten. Bei Modbus darf dieser Abstand nicht größer als das 1,5 fache der Dauer der Übertragung eines einzelnen Segmentes sein

23 Auf diese hier beschriebene Abstände zur Abgrenzung des Datenrahmens und Kontinuität wird im folgenden als t1,5 und t3,5 Bezug genommen. Zur Veranschaulichung wird auf Abbildung 7 und 8 verwiesen. t 0 ok Datenrahmen fehlerfrei nok Datenrahmen fehlerhaft Frame n - ok Frame n+1 - nok Character < 1,5 Character < 1,5 Character > 1,5 Character Bild 7: 1,5t Modbus RTU Message Framing (Vergleiche MOD 2006a, S.13) Frame n Character Frame n+1 t 0 >3,5 Character 3,5 Character 4,5 Character Bild 8: 3,5t Modbus RTU Message Framing (Vergleiche MOD 2006a, S.13)

24 3.3 USB 2.0 Hier wird ein Überblick gegeben, welche Möglichkeiten USB 2.0 zur Datenübertragung anbietet. Grundlagen von USB, wie Topologie, Adressierung, Paketierung und Fehlererkennung sollen hierbei nicht abgehandelt werden. Die folgenden Angaben gelten nur für USB 2.0. Die Kommunikation erfolgt bei USB zwischen USB-Controller und USB-Device, wie in folgender Abbildung 9 als Blockdiagramm dargestellt. USB Controller USB Device Bild 9: USB Blockdiagramm Dabei kann ein USB-Device über ein bis mehrere Funktionen verfügen. Pro Funktion wird vom USB-Device ein Interface zur Verfügung gestellt. Jedes Interface verfügt wiederum über ein oder mehrere Endpunkte. Abbildung 10 zeigt eine entsprechende Übersicht

25 USB Controller Device FTDI 2232D Kanal A Kanal B Interface 1 Interface 2 lesen/ schreiben lesen lesen/ schreiben lesen schreiben schreiben Endpunkt 0 Endpunkt 1 Endpunkt 2 Endpunkt 0 Endpunkt 1 Endpunkt 2 Bild 10: Endpunkten und Funktionen am Beispiel FT2232D Erläuterung der Endpunkte Es gibt zwei Arten von Endpunkten, zum Lesen von Daten und zum Schreiben von Daten. Der Endpunkt 0 jedes Devices ist der einzige, der von dieser Einteilung abweicht. Er ist zum Schreiben und Lesen von Daten fähig, wird allerdings nur zur Enumerierung und Austausch der Gerätekonfiguration eingesetzt, da er nur über eine geringe Datenrate von bis zu 800 Byte/s verfügt. Wie der Endpunkt 0 hat jeder andere Endpunkt bestimmte Eigenschaften, wie Transferrichtung, Maximale Paketgröße, Bandbreite. Die jeweiligen Eigenschaften der Endpunkte werden per Konfiguration festgelegt und bei der Anmeldung an den Host übermittelt. (Vergleiche SPRUT 2007)

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