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摘要：針對當前工業生產現場中通信系統的兼容性問題，設計了一種基于融合技術的嵌入式網關系統，選用STM32F207為核心控制器，移植了μCOS－III嵌入式操作系統，實現了CAN總線、以太網和LTE移動通信的融合通信，可以應用于各類工業控制現場，系統穩定性、可靠性、兼容性都有了很大的提高。
關鍵詞：CAN總線，以太網，STM32，LTE，μCOS－III
隨著工業現場控制系統自動化程度不斷加深，工業生產現場的各種傳感裝置不斷增多，控制復雜性增加，數據通信的容量需求不斷提高，單一的通信模式不斷遭受挑戰，越來越無法滿足系統擴容的需要，不能對工業現場進行有效的實時控制［1］。因此，如何滿足各種現場控制環境，對工業生產過程的大數據進行有效、實時地監控，實現最大程度自動化水平成為當前工業現代化發展的一個瓶頸。目前針對于工業控制系統中的很多現場設備都采用CAN總線進行通信，網絡節點負責采集現場的相關信息及進行相應的控制，上位機負責數據的存儲和人機交互控制，現場的網絡節點和上位機之間通過CAN總線交互數據，這種控制網絡可以滿足基本現場控制管理，但是隨著對工業現場控制的要求提高及多媒體技術的發展，單一控制數據的通信模式正逐漸改變，如何兼容現有控制設備同時滿足對大數據的需求是當前研究的熱點。為此，本文提出了一種基于STM32的嵌入式融合通信網關系統。
1工業控制系統結構設計
本系統結構圖如圖1所示，系統由網關節點、子節點和控制平臺等部分組成。網關節點采用雙機冗余設計，保證了關鍵通信的穩定性，融合了多種通信方式，實現了CAN總線、以太網和移動網絡的融合，提高了系統的可擴展性，主要完成對整個網絡監控系統進行監控、數據處理、管理決策等；子節點位于車間現場，主要完成現場參數的檢測、數據處理和執行，并將相應的數據實時傳輸給網關節點，同時接收并執行控制命令。節點之間通過CAN總線實現數據的交互，系統基于信息分級的FCS（Field-busControlSystem，FCS）分布式控制對現場進行管理。對采集的信息采用分級管理機制，信息分為三級：I級、II級和III級。I級為現場正常生產控制信息，例如定位傳感器采集正常值信息、CCD圖像信息、電機和氣缸的正常運轉信息，各子節點可以自行處理，網關節點不直接參與控制，由監控子節點直接進行處理；II級為異常信息處理，例如單位時間內不良產品信息超過容忍度了，需要控制中心進行處理，控制中心管理員根據現場的各種采集信息，綜合分析，發出控制命令，與現場操作人員協調，遠程管理現場；III級為緊急信息，主要是一些危及安全生產的信息，例如災難性故障，在傳輸給總控制平臺由值守管理員處理查找原因的同時，通過LTE通信傳輸給具有特殊權限用戶的移動控制平臺，以便能夠實時掌握現場信息，及時進行支持，排查原因，最大程度地保障了系統的安全運行。對現場采集到的各種信息設置相應的等級，在傳輸和處理過程中保證了高優先級的重要信息的能實時安全傳輸，并及時處理?，F場所有信息和處理結果都需要傳遞給控制平臺進行備案保存，以便掌握現場的工作情況，為安全生產提供信息依據。對信息進行分級處理，各子節點具有較強的獨立性，從而降低了系統的復雜性，提高了系統的開放性、可靠性、容錯性。
2硬件系統設計
2．1網關節點系統設計
網關節點的設計是工業控制系統的關鍵節點，網關節點通過CAN總線對各子節點進行參數設置，子節點采集現場信息，通過CAN總線傳遞給網關節點，當生產現場出現問題時，通過液晶顯示和聲光報警提示值班人員，值班人員可以從控制平臺詳細了解各節點的信息，通過控制平臺或者鍵盤給子節點發出控制命令。網關節點通過TCP／IP和LTE與控制平臺進行通信，保證了現場的有效控制。網關節點電路主要包括CAN收發電路、以太網接口電路、LTE通信電路、鍵盤電路、LCD顯示電路和聲光報警電路等，網關節點硬件電路結構如圖2所示?？紤]到網關節點的數據處理能力要求較高，選用基于ARMCotex－M3核的32位處理器STM32F207VE，該芯片采用最新的90納米工藝生產新一代的STM32產品，120MHz高速運行時可達到150DMIPS的處理能力，高達512k字節的片上閃存和128k字節的SRAM，自適應實時閃存加速器使得片內閃存上以120MHz的高速零等待地執行代碼。芯片攜帶有1路10／100M以太網接口，2路CAN通道，6個UART接口；還含有ADC、DAC、USB、PWM等外設資源［2］?？梢苑€定地進行TCP／IP和CAN總線通信，同時也能保證嵌入式操作系統μCOS－III的運行。
2．2CAN通信驅動電路設計
控制器STM32F207VE內部都集成了功能強大的CAN控制器，CAN通信模塊的設計僅需要設計微處理器與驅動器的接口電路。在本設計中，主控節點與子節點的采用相同的驅動電路，驅動器選用廣州致遠公司的芯片CTM1050T，CTM1050T芯片采用全灌封工藝，內部集成了電源隔離、電氣隔離和CAN收發電路，隔離電壓可達DC2500V，接口簡單，使用方便，可以很好實現CAN－BUS總線上各節點電氣、電源之間完全隔離和獨立［3］。該模塊TXD、RXD引腳與＋3．3V和＋5V的CAN控制器完全兼容，不需要外接其他元器件，相對于傳統的設計方案，簡化了DC－DC電源模塊、光耦模塊和ESD保護等電路，提高了節點的穩定性和安全性。CAN總線驅動電路如圖3所示，CTM1050T的收發引腳與CAN控制器的收發引腳直接相連，終端RT1為120Ω，屏蔽電纜線的屏蔽線接FGND引腳，CGNND為收發器地，RC1及CR1為耐高壓電阻、電容，具有濾波等作用。
2．3以太網通信模塊的設計
在網關節點系統中設計了以太網通信模塊，實現了數據的遠程傳輸，擴展了通信的帶寬，提升了通信的兼容性。STM32F207VE內部集成了專用DMA的MAC模塊，為以太網通信提供MII或者RMII兩種接口方式，PHY物理層控制芯片選用DP83848CW采用RMII規范，簡化了硬件的電路設計，電路圖的設計如圖4所示，STM32的PB11與TX＿EN相連，使能發送引腳；PB12、PB13與TX＿D0、TXD＿1相連，發送數據；PD9、PD10與TX＿D0、TXD＿1相連，接收數據；X1為接收和發送數據提供時鐘信號［4］。DP83848CW與網絡變壓器網口插座J0011D21BNL相連，實現TCP／IP數字信號的差分傳輸。
2．4移動通信模塊設計
LTE移動通信模塊以USR－LTE－7S4為核心，可以輕松實現與LTE網絡的高速通信［5］。USR－LTE－7S4是一款體積小巧，功能豐富的M2M產品，可方便快速地集成于設計系統中，模塊軟件功能完善，能覆蓋絕大多數常規應用場景，支持自定義注冊包、心跳包功能，支持4路Socket連接，并支持透傳云接入，具有高速率、低延時的特點。USR－LTE－7S4的UART＿TX、UART＿RX引腳分別與STM32的PC11和PC10相連，實現串口到LTE網絡的雙向數據透明傳輸。模塊已集成SIM卡功能，設計時與SIM卡座對應引腳進行連線，SIM＿CLK、SIM＿RST、SIM＿D引腳分別并聯47pF左右的電容，濾除射頻信號的干擾。模塊提供開關機RES和POW＿KEY引腳，控制STM32的開關機。通過LED狀態顯示模塊工作狀態。模塊引出的指示燈引腳為LinkA、LED＿W、LED＿N，分別指示網路連接、模塊工作和具體網絡狀態情況，引腳電平為1．8V，驅動指示燈需要做電平匹配，需要通過三極管來驅動指示燈。
3軟件系統設計
軟件系統的設計包括總控制平臺和移動控制平臺的上位機軟件設計、主節點軟件系統設計和監控子節點的軟件系統設計?？偪刂破脚_基于C＃進行軟件開發設計，移動控制平臺基于E-clipseJava開發，選擇開放源代碼的安卓操作系統。子節點采用面向工作過程的前后臺程序設計方法，保證子節點能實時控制工作現場。在這里主要介紹主節點系統的開發，主節點系統采用自頂向下的設計方法，考慮到系統的性能和實時性的要求，移植了嵌入式操作系統μCOS－III。μCOS－III是JeanJLabrosse先生編寫的免費公開源代碼的實時操作系統，是μCOS的第三代系統內核，被設計用于32位處理器，也能在16位或8位處理器中很好地工作，其實時性、穩定性、可靠性得到了廣泛的認可，相對于μCOS－II，μCOS－III允許多個任務運行在同一優先級上，相同優先級的任務按時間片輪轉調度，任務的數量不受限制［6］。在Keil4下對μCOS－III移植進行了移植，修改3個內核文件：os＿cpu．h、os＿cpu＿a．asm、os＿cpu＿c．c；3個CPU文件：cpu．h、cpu＿a．asm、cpu＿c．c。為了實現以太網通信的功能，移植了LwIP，編寫相關的驅動程序。LwIP是瑞士計算機科學院（SCICS）的AdamDunkels等開發的用于嵌入式系統的開發源代碼的TCP／IP協議棧，實現了ARP、IP、ICMP和TCP四個基本協議，適合與μCOS－III等嵌入式操作系統相配合使用［7］。對LwIP的移植，主要是修改與STM32、編譯器、操作系統相關的文件，編寫了IPReceive()和IPSend()兩個驅動函數，完成了與底層硬件的數據交換，保證了IP數據的發送和接收。根據主節點具體的功能應用需求，考慮到任務的實時性和資源的利用率，劃分十個任務：三個通信任務、三個監測任務、一個數據處理任務、一個存儲任務、一個顯示任務和一個初始化任務。三個通信任務分別為串口通信任務（負責LTE通信）、CAN通信任務和以太網通信任務，負責與上位機控制平臺通信和監測子節點通信；三個檢測任務分別為主節點定時監測任務、子節點定時監測任務和鍵盤監測任務，負責檢測主節點、子節點的工作狀態以及人機交互。數據存儲任務負責對通信任務接收過來的數據進行解包處理、分類；存儲任務負責在發送故障的情況，將數據存儲在SD卡中；顯示報警任務負責必要的顯示和故障發生時的聲光報警；系統初始化任務負責實現系統軟硬件初始化工作、系統時鐘配置以及其它配置、其它任務的創建和任務間通信使用的變量的定義及初始化。在內核啟動后，該任務自動掛起，不再運行。系統通過消息隊列、信號量對任務進行同步、互斥調度，協調各任務的運行，任務的調度關系如圖6所示。
4結束語
這種融合通信方式保證綜合控制系統的可靠性，在主節點中移植了嵌入式操作系統μCOS－III，為系統的可擴展性和穩定性提供了可靠的保證，為相關的工業現場控制提供了一種新的解決方案。
作者:凌啟東 單位:徐州工業職業技術學院
