摘 要： 基于Cortex-M3內核的ARM芯片STM32F107所構建的車橋追溯管理系統(tǒng)終端，采用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)多任務的管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸。實驗表明，終端系統(tǒng)穩(wěn)定，人機對話界面友好，數(shù)據(jù)能快速、大量、有效傳輸，具有很好的應用前景。
關鍵詞： 車橋總成；STM32F107；以太網(wǎng)；μC/OS-II；LwIP協(xié)議棧
車橋生產企業(yè)錄入VIN編碼時，經常發(fā)生人為失誤，如工人在記錄時的字跡模糊不清、錄入員在錄入時的操作過失、遺漏單據(jù)等現(xiàn)象，阻礙了整個車橋安裝進程的進度，降低了勞動生產率，直接影響著企業(yè)的經濟效益[1]。至此，實時錄入工位車橋總成信息的終端具有應用的現(xiàn)實意義。由STM32F107構建的車橋追溯管理系統(tǒng)終端，通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，同時嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務管理，將工位總成信息傳至PC機以進行統(tǒng)一管理。
1 總體方案
終端采用基于Cortex-M3內核的ARM芯片STM32F107為處理器，構建STM32應用電路、以太網(wǎng)通信電路、人機接口電路、指示報警電路、電源電路，結構框圖如圖1所示。終端分為上橋終端與工位終端。工位終端安裝在裝配流水線的相關工序對應的工位，實現(xiàn)流水線工位有效信息的錄入；上橋終端安裝在裝配流水線的上橋工位，實現(xiàn)總成橋類型、數(shù)量按當班總調度的要求實時調度與控制。
終端的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖2所示。PC機作為以太網(wǎng)
2 硬件設計
終端硬件分為STM32應用單元、以太網(wǎng)通信單元、人機接口單元、指示報警單元等。
2.1 STM32應用單元
STM32F107是一款性價比極高的微控制器，它集成了豐富的外圍功能模塊，可滿足多種應用場合，適宜于實時控制[2]。STM32的系統(tǒng)時鐘可來自3個不同的時鐘源，本終端采用HSE時鐘為高速外部時鐘信號，通過OSC_IN接入一個最高為25 MHz占空比為50%的外部時鐘信號提供系統(tǒng)所需的時鐘基準。復位方式為系統(tǒng)外部復位，通過按下獨立按鍵，向NRST引腳輸入低電平，完成復位。STM32的內核集成了串行線/JTAG調試接口用于接調試器，便于程序的調試。
2.2 以太網(wǎng)通信單元
以太網(wǎng)通信電路，如圖3所示。通過STM32F107的MAC接口與以太網(wǎng)驅動芯片DP83848構成的的PHY（物理層）接口相連接，再與網(wǎng)絡變壓器、RJ45插槽相連接，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。STM32F107以太網(wǎng)模塊支持兩種模式接口：獨立介質接口（MII）和簡化獨立介質接口（RMII）[3]。設計選擇獨立介質接口（MII），它需要16根數(shù)據(jù)和控制信號的引腳，支持10 Mb/s、100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸。
DP83848C是一款高性能的滿足10M/100M單接口的PHY物理層元器件，它具有低電壓損耗特性，同時提供幾種智能休眠模式，這樣可以減少電能的消耗，提高元器件的可靠性[3]。通過配置DP83848C的MII_MODE引腳為0，SNI_MODE引腳任意，選擇為MII模式。AN_EN、AN_0、AN_1引腳上拉3.3 V，自動協(xié)商功能使能，且支持10BASE_T半/全雙工和100BASE_TX半/全雙工兩種傳輸方式。PHY的物理地址由PHYAD[0：4]引腳確定，PHYAD[0]引腳內部有弱上來電阻，PHYAD[4：1]引腳有弱下拉電阻，所以PHY地址默認為00001（01h）。
2.3 其他單元
人機接口單元包括PS2鍵盤電路與LCM屏電路，主要用于人機信息的交互。指示報警單元利用LED燈和蜂鳴器對終端的運行情況進行指示、報警，包括網(wǎng)絡連接診斷指示、以太網(wǎng)通信指示、終端運行狀況指示和硬件錯誤指示，當終端出現(xiàn)硬件錯誤與通信錯誤時，除了LED外，報警電路的蜂鳴器同時響起。電源單元采用美國國家半導體LM2576HVS-3.3芯片將直流+48 V轉換為直流+3.3 V，為整個終端提供可靠、穩(wěn)定的電能。
3 軟件設計
軟件上嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)[4]，建立以太網(wǎng)通信、人機接口、指示報警、終端選擇等任務，通過μC/OS-II任務調度，完成任務的切換與運行。嵌入LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議層的構建。
3.1 LwIP協(xié)議棧移植
μC/OS-II是一個開放源碼的實時操作系統(tǒng)，它只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的充分支持[5]。而LwIP TCP/IP在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十KB的RAM和約40 KB的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。它與系統(tǒng)其他部分的相對位置關系如圖4所示。
sys_arch.h中的內容是與OS相關的一些結構和函數(shù)，分為四個部份：
（1）sys_sem_t數(shù)據(jù)結構及信號量函數(shù)
struct sys_sem_t；sys_sem_new（）；
sys_sem_free（）；sys_sem_signal（）；
sys_arch_sem_wait（）；
（2）sys_mbox_t消息函數(shù)
sys_mbox_new（）；sys_mbox_free（）；
sys_mbox_post（）；sys_arch_mbox_fetch（）；
（3）系統(tǒng)超時函數(shù)
struct sys_timeouts*
sys_arch_timeouts（void）
（4）創(chuàng)建新線程函數(shù)
void sys_thread_new（void（*thread）（void*arg），void*arg）；
3.2 任務劃分和資源分配
μC/OS-II是專為嵌入式應用設計的公開源代碼的搶占式實時操作系統(tǒng)，它把系統(tǒng)軟件分割成多個任務，每個任務負責完成相應工作，系統(tǒng)功能由多個任務協(xié)作完成[6]。任務分配方案的好壞將直接影響軟件編寫效率和性能，系統(tǒng)任務分配如表1所示。在起始任務中建立了一系列的郵箱信號來協(xié)調各個任務的運行，資源分配如表2所示。
終端μC/OS-II系統(tǒng)設置為每隔50 ms進行一次任務切換，以太網(wǎng)任務用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；終端選擇任務是通過功能按鍵中斷觸發(fā)來選擇任務，進入終端選擇界面之后，根據(jù)界面的提示，通過PS2鍵盤選擇終端類型；人機接口任務主要完成人機信息的交互；指示報警任務則是最終端的運行狀況進行檢測、指示、報警。
在μC/OS-II平臺下，各個任務對資源的申請，以及任務間的通信通過操作系統(tǒng)的消息管理模塊來進行，可保證任務與任務之間的耦合性最小，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)。
3.3 以太網(wǎng)通信任務
STM32F107的以太網(wǎng)模塊支持通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，符合IEEE 802.3-2002標準，通過外接的PHY接口，支持10 Mb/s、100 Mb/s秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。
（1）以太網(wǎng)任務初始化。針對此任務的變量、標志位以及LwIP協(xié)議棧初始化，其包括Heap型內存初始化，Pool型內存初始化，網(wǎng)絡配置初始化，宏定義初始化等。
（2）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。上橋終端發(fā)送給工位終端的橋號先傳給PC機，再由PC機轉發(fā)給工位終端。如果由上橋終端直接發(fā)送給工位終端，則上橋終端既作服務器，又做客服端，這樣增加了終端程序的任務量，至此，將更多的數(shù)據(jù)傳輸交給PC機，充分利用PC機的高效性。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中斷程序接收，通過μC/OS-II建立的以太網(wǎng)郵箱，將接收到的數(shù)據(jù)以郵件的形式“投遞”到以太網(wǎng)任務進行處理。有以太網(wǎng)郵件的到來才會激活以太網(wǎng)任務，否則，以太網(wǎng)任務一直處于掛起狀態(tài)。根據(jù)終端的類型將接收到的有效數(shù)據(jù)存儲至STM32F107自帶的Flash中，防止掉電意外丟失。同時對數(shù)據(jù)進行處理，通過以太網(wǎng)發(fā)送到相應的PC或者終端中。以太網(wǎng)通信任務流程圖如圖5所示。
終端上電后，如果是第一次啟動，尚未選擇終端類型，需要按下功能鍵，程序會自動進入終端選擇界面，通過PS2鍵盤選擇相應的終端，工位終端的選擇。
利用“網(wǎng)絡調試助手軟件”模擬上位機軟件，用來發(fā)送和接收各終端的信息。終端作為客戶端，PC機作為服務器。在“網(wǎng)絡調試助手軟件”對話框中設置好IP號、端口號，等待各終端的連接，各終端成功連接之后便可以進行數(shù)據(jù)傳輸。上橋終端接收到VIN碼后，將其顯示在液晶屏上，通過PS2鍵盤的確認鍵，每按一次，就發(fā)送一組VIN碼給工位終端。工位終端接收到VIN碼后，進入錄入數(shù)據(jù)界面，如圖7所示。輸入工序數(shù)，確認無誤后，再依次輸入分成號、工序號、操作者號，點擊確認鍵，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳給PC機。
車橋追溯管理系統(tǒng)終端結合μC/OS-II和以太網(wǎng)技術技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程與實時傳輸。μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的嵌入，大大提高了微處理器利用效率；多任務的建立，既加強了各外設的聯(lián)系，又優(yōu)化了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。實驗表明，此終端系統(tǒng)穩(wěn)定，人機對話界面友好，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)能快速、有效傳輸，具有廣闊的市場前景。
參考文獻
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