0 引言

    在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中，RS232、RS485、CAN等總線接口在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛^[1-3]。在許多場合，由于設(shè)備處理數(shù)據(jù)的形式不同，通信接口各有差異，因此各式各樣數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)了，但是市面上出現(xiàn)的很多轉(zhuǎn)換器一般都只是兩種總線數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，難以適應(yīng)端口總線繁雜的場合^[4-6]，為此本文設(shè)計了一種多源數(shù)據(jù)采集板卡，其以STM32F429為核心，實現(xiàn)對多路RS232、RS485、CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)以及GPIO接口配置功能，另外板載GPS/BD模塊，滿足了用戶對采集多種不同通信接口設(shè)備數(shù)據(jù)以及時間地理信息顯示的需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

    多源數(shù)據(jù)采集板卡主要由STM32核心電路、2路CAN總線接口、2路RS485接口、4路RS232接口、8輸入/8輸出GPIO端口、板載GPS/BD模塊以及電源電路組成。多源數(shù)據(jù)采集板卡硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    STM32作為多源數(shù)據(jù)采集板卡的控制核心，控制協(xié)調(diào)各路通信總線接口的數(shù)據(jù)收發(fā)，以及與上位機進行交互，實現(xiàn)上位機對設(shè)備終端數(shù)據(jù)的采集、顯示與控制等功能；2路CAN總線分別獨立，并在板卡兩側(cè)各有1路接口，通信速率范圍為500 kb/s~1 Mb/s；2路獨立RS485總線，波特率9 600 b/s到115 200 b/s可配置，可掛載多個RS485總線通信的傳感器模塊，均分布在板卡左側(cè)；4路RS232接口，波特率9 600 b/s到230 400 b/s可調(diào)，左右兩側(cè)各2路獨立接口；16路GPIO端口，左側(cè)8路輸出，右側(cè)為8路輸入；GPS/BD模塊主要完成時間地理位置信息的采集，通信速率9 600~115 200 b/s可配置，數(shù)據(jù)更新頻率1～20 Hz可配置；電源電路包括12 V轉(zhuǎn)5 V、12 V轉(zhuǎn)3.3 V以及12 V轉(zhuǎn)24 V三部分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32核心電路設(shè)計

    該部分選用了STM32F429ZIT6為微控制器，其使用高性能的ARM Coetex-M4 32位的嵌入式RISC內(nèi)核，工作頻率高達180 MHz，內(nèi)置2 MB的Flash和256 KB的SRAM存儲器，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)；包含2個 12位的ADC，3個通用16位定時器，以及3個I²C和SPI，4USARTs/4 UARTs和2個CAN通信接口^[5]。其中板卡通信要求至少7個串口與2個CAN總線。此外，該芯片采用1.7~3.6 V低電壓供電，支持睡眠、停機和待機3種省電模式，具有功耗低、實時性強等優(yōu)點。核心電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    核心電路主要包括STM32F429及其復(fù)位電路、晶振電路、BOOT啟動電路以及調(diào)試下載接口電路。其中復(fù)位電路采用10 kΩ電阻上拉方式，當按鍵按下時，RESET與地導(dǎo)通，產(chǎn)生低電平實現(xiàn)復(fù)位；為了讓STM32得到更高的處理速度，晶振電路采用了25 MHz無源晶振；BOOT電路決定了STM32以何種方式被啟動，此處提供了用戶閃存存儲器啟動與從內(nèi)嵌SRAM啟動，默認為前者方式啟動，可利用跳帽選擇；調(diào)試下載接口則選用了SWD方式，其為2線串行通信，只需排針引出，節(jié)省空間。

2.2 CAN總線接口設(shè)計

    CAN總線由于其高性能、高可靠性及獨立的設(shè)計，而被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中^[7-9]。由于STM32內(nèi)部集成了CAN總線控制器，因此外部電路僅需CAN總線收發(fā)器即可實現(xiàn)通信。這里選用了TD321SCAN系列的SMD單路通用型CAN隔離收發(fā)模塊，它是一款采用IC集成化技術(shù)，實現(xiàn)了電源隔離、信號隔離、CAN收發(fā)和總線保護于一體的CAN總線收發(fā)模塊，可實現(xiàn)3 000 V DC電氣隔離，傳輸波特率范圍為5 kb/s~1 Mb/s；極大滿足了工業(yè)級的指標要求。該模塊+3.3 V供電，與STM32之間接口無縫連接，具有功耗低的優(yōu)點。此外，為了提高總線通信的可靠性，在該模塊外添加了端口浪涌防護電路，當模塊應(yīng)用于較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境時，如高磁場干擾、大能量雷擊等場合，可保護模塊不被損壞。CAN總線接口電路如圖3所示。

2.3 RS485總線設(shè)計

    在該電路中，使用了TD321S485H-A系列的SMD單路高速RS485隔離收發(fā)模塊(自動切換)，其主要功能是將邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS485協(xié)議的差分電平，實現(xiàn)信號隔離。該模塊+3.3 V供電，傳輸波特率可達500 kb/s，滿足要求。同樣，在模塊外添加了端口保護電路，SP00S12是一款信號浪涌抑制器，可用于各種信號傳輸系統(tǒng)，抑制雷擊、浪涌、過壓等有害信號，對設(shè)備信號端口進行保護，尤為適合CAN、RS-485等通信領(lǐng)域的浪涌防護。因此，選擇SP00S12可有效保證RS485總線通信的可靠性。RS485總線電路如圖4所示。

2.4 RS232通信接口設(shè)計

    該接口電路采用了型號為RSM232D的雙路隔離RS-232收發(fā)器，它支持3.15 V~5.25 V超寬壓輸入電源供電，波特率可達235 kb/s。與普通的RS232芯片相比，它電磁抗干擾EMS極高，隔離耐壓2 500 V DC。由于該模塊內(nèi)部TOUT/RIN線沒有EDS保護器件，當應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的場合時，可能造成通信不穩(wěn)定的情況。因此，在模塊TOUT/RIN線端外加了TVS管、防雷管、屏蔽雙絞線以及同一網(wǎng)絡(luò)單點接大地等保護措施，有效保護了RS232總線端口。具體電路如圖5所示。

2.5 GPIO端口設(shè)計

    GPIO端口分為8路輸入、8路輸出端口，5~24 V為邏輯高電壓，0~5 V為邏輯低電壓。顯然電平與MCU電平不匹配，需要電壓轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換。考慮到端口的穩(wěn)定性，端口采用了小體積的TLP127光耦芯片，完成電壓轉(zhuǎn)換的同時，也實現(xiàn)了電氣隔離。此外，TLP127內(nèi)部集成了耐高壓達林頓管，輸出端口可耐壓值可達300 V DC，同時，它最高可輸出150 mA的電流I_c使它具有了較強的驅(qū)動和隔離能力。GPIO輸入輸出端口隔離電路如圖6所示。

2.6 GPS/BD模塊設(shè)計

    該模塊主要實現(xiàn)對GPS定位信息進行獲取，并傳輸?shù)絊TM32中進行處理。市場主要有幾款主流的GPS/BD模塊^[10]，如ATK-NEO-6M、ATK-1218-BD等。經(jīng)對比，ATK-1218-BD模塊在數(shù)據(jù)更新率、傳輸波特率、定位精度等性能上均要優(yōu)于其他模塊，因此選擇該模塊來提取地理位置信息。ATK-1218-BD是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，其兼容+3.3 V/5 V單片機系統(tǒng)，定位精度2.5 mCEP，數(shù)據(jù)更新速率1~20 Hz、串口通信波特率4 800~230 400 bps可配置。另外，模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)^[11-12]。

    ATK-1218-BD模塊同外部設(shè)備通信接口采用UART(串口)方式，輸出的GPS/北斗定位數(shù)據(jù)采用NMKA0183協(xié)議^[13]，控制協(xié)議為SkyTraq。因此使用前，需采用SKyTraq提供的GNSS_Viewer軟件對該模塊的更新速率、串口波特率等參數(shù)進行配置。該模塊與單片機連接方式如圖7所示。

2.7 電源電路設(shè)計

    根據(jù)各端口模塊以及MCU的供電要求，需要將12 V工作電源轉(zhuǎn)化為+3.3 V、+5 V、+24 V隔離電源。為了提高電源的轉(zhuǎn)換效率，降低熱損耗，采用了一款內(nèi)置集成電路高端高壓功率MOSFET的降壓型開關(guān)電源芯片MP1584，輸入超寬電壓4.5 V~48 V DC，最大電流輸出可達3 A，輸出電壓值可根據(jù)匹配電阻調(diào)整得到+3.3 V、+5 V的電壓，相應(yīng)地輸入輸出濾波電容均采用MLCC電容可減少紋波干擾。+24 V隔離電源主要應(yīng)用于GPIO輸出端，作為輸出的參考電平，考慮到體積小、功耗等要求，選用B1224_XT-2WR2隔離芯片，該芯片可將12 V電壓隔離升壓至24 V，且輸入輸出隔離電壓達1 500 V DC，效率達84%，外圍電路簡單，僅需兩個濾波電容即可。電源電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計分析

    該設(shè)計以KEIL MDK5為軟件開發(fā)環(huán)境，操作系統(tǒng)為Windows 7。核心處理器采用了32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F429ZIT6芯片，主頻可達180 MHz，只要程序結(jié)構(gòu)良好，板卡全端口工作負荷下，依然能處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

3.2 測試程序流程

    MCU程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要模塊包括初始化模塊、啟動看門狗模塊、各通信協(xié)議中斷模塊、定時器中斷處理模塊和主程序模塊。由于篇幅所限，下面主要對主程序部分程序進行分析，主程序流程圖如圖9所示。

    系統(tǒng)程序啟動時先進行系統(tǒng)化，配置好各總線端口的波特率以及中斷優(yōu)先級，初始化GPIO端口及GPS/BD模塊并設(shè)置看門狗。接著初始化各類標志位，啟動看門狗中斷程序。由于在總線數(shù)據(jù)傳輸方面采用硬件握手方式，雙向的數(shù)據(jù)傳輸依靠中斷方式來判斷數(shù)據(jù)的到來或響應(yīng)信號的到來，保證了不同總線上的數(shù)據(jù)正常、透明、可靠傳輸。因此，此時各通信總線端口已進入中斷讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)。

    當程序進入主循環(huán)后，首先獲取GPS/BD模塊的經(jīng)緯度信息，采集8路GPIO_In口的電平狀態(tài)，接著RS485_1與上位機進行三次應(yīng)答，將每次應(yīng)答獲取的數(shù)據(jù)進行截取保存，并對數(shù)據(jù)判斷，滿足則GPIO_Out0輸出固定頻率脈沖。然后解析上位機傳來的CAN指令，執(zhí)行相應(yīng)的程序，初次為健康查詢即檢查各端口通信是否正常，若正常則將8路GPIO_In端口狀態(tài)、RS485_1讀取的數(shù)據(jù)、RS485_2三次應(yīng)答截取的數(shù)據(jù)、RS232的數(shù)據(jù)以及GPS/BD模塊獲取的經(jīng)緯度信息按約定要求解析放入RS232_TXBUFF，并由電源同側(cè)的兩路RS232發(fā)送給上位機進行數(shù)據(jù)的處理與顯示。運行期間，利用定時器中斷不斷執(zhí)行喂狗任務(wù)，上位機可發(fā)送CAN指令停止喂狗進行復(fù)位。此外，若板卡由于不可控因素導(dǎo)致程序跑飛，此時無法喂狗，程序自動復(fù)位，有效地防止了板卡因程序崩潰而無法工作的現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)測試

4.1 指標測試

    本多源數(shù)據(jù)采集板卡的技術(shù)指標主要為工作電壓、最大功耗、各總線通信波特率等。實測表明，板卡在測試技術(shù)要求范圍內(nèi)的配置下均能正常工作。指標測試結(jié)果如表1所示。

4.2 整體性能驗證

    為了驗證數(shù)據(jù)采集板卡的整體性能，將板卡各端口與工控機匹配端口相連接，模擬板卡通過多個端口采集多源傳感器數(shù)據(jù)信息，進行匯總并輸出，并通過CAN總線與上位機指令進行交互。通過上位機分析板卡的輸出數(shù)據(jù)并界面顯示，確定板卡各端口接收到的信息無誤，板載GPS/BD數(shù)據(jù)正確，多端口收發(fā)無阻塞，無競爭，可持續(xù)運行并按約定邏輯響應(yīng)上位機通過CAN總線端口發(fā)送的指令。此外，經(jīng)72 h長時間持續(xù)工作測試，板卡一直處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種基于STM32的多源數(shù)據(jù)采集板卡，實現(xiàn)了CAN、RS485、RS232等多種接口的通信，且均電氣隔離，使板卡減小干擾，通信更為可靠。板卡采用STM32F429芯片為控制核心，較強的數(shù)據(jù)處理能力，使板卡具有較好的性能；采用多種總線端口，可連接各種不同總線接口的傳感器設(shè)備，具有良好的可擴展性；板載GPS/BD模塊，記錄時間地理信息，方便用戶確定設(shè)備位置坐標；采用DC-DC隔離電源，電源轉(zhuǎn)換效率高，熱損耗小，具有功耗低的優(yōu)點。此外，板卡采用鋁框外殼固定，安裝方便且抗振牢固。

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作者信息:

王廣君1，2，姜建金1，2，馬成勇1，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院，湖北 武漢430074；

2.復(fù)雜系統(tǒng)先進控制與智能自動化湖北省重點實驗室，湖北 武漢430074)