由于Modbus应用协议的开放性使之成为工业控制领域中应用最广泛的协议之一。基于Modbus应用协议族的工业以太网解决方案也逐渐被应用于各种现场级测控领域。其中基于MODBUS/TCP的网关是其网络连接的重要组成部分,其性能的好坏直接影响到整个系统的性能。 本文首先介绍了Modbus应用协议中的数据模型和功能码的分类以及其在串行链路上的帧格式、TCP/IP 上实现报文传输服务的过程和嵌入式系统的基本概念和特点。然后分析了在控制网络中主要的存取控制方法的特点、常用控制系统的网络互连结构以及现存MODBUS/TCP网关的运行机制的基本流程。并运用排队论、马尔科夫过程及嵌入马尔科夫链分析了现存网关模型的各种运行参数,得到其特点以及在TCP连接过多的时候所存在实时性下降的问题。 针对上面的分析提出了将实时数据库嵌入到网关中,将整个网关分成两大部分并通过实时数据库将两者连接成一个整体,一部分与控制子网相连,按照实时数据库的内容轮询控制子网中各节点的数据,实时更新数据库,保持数据的实时性;另一部分与以太网互连,等待TCP连接请求、建立连接、接受并解析MODBUS/TCP包和MODBUS帧、查询实时数据库、打包返回数据。两部分独立运行,能够解决现存网关中由于控制子网中串行链路的独占性与以太网中多TCP连接,在TCP连接数量过多的情况下,容易引起MODBUS请求拥塞,从而导致响应时间增加的问题。利用排队论和概率论分别对控制子网部分和TCP连接访问部分进行了各种条件下的性能分析,得到当系统在TCP连接数量增加时新网关能够显著改善系统响应速度的结论。 最后本文按照功能模块给出了网关的具体硬件设计电路图、新网关的整个程序流程图并详细描述了各主要模块程序的代码实现。设计了TCP连接数量、子网通信速率与实时性关系两种测试方案,并搭建了测试环境,对新、旧网关进行测试,对比测试结果得出新、旧网关的特点以及最佳的应用场合,并对今后的工作提出了一些建议。