《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于STM32嵌入式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第16期
鄒曉康,,劉帥,,張浩然
浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,,浙江 金華321004
摘要: 基于STM32平臺(tái),,設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線RS485,、CAN和有線以太網(wǎng)的嵌入式多協(xié)議半雙工交叉通信的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,,主要采用STM32高性能ARM處理器作為核心控制芯片,,實(shí)現(xiàn)RJ85,、UART,、CAN雙向透明傳輸設(shè)計(jì)、MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),、MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),,在現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有很好的推廣價(jià)值。
Abstract:
Key words :

  鄒曉康,,劉帥,,張浩然
  (浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,,浙江 金華321004)

       摘要:基于STM32平臺(tái),,設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線RS485、CAN和有線以太網(wǎng)的嵌入式多協(xié)議半雙工交叉通信的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,,主要采用STM32高性能ARM處理器作為核心控制芯片,,實(shí)現(xiàn)RJ85、UART、CAN雙向透明傳輸設(shè)計(jì),、MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),、MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),在現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有很好的推廣價(jià)值,。
  關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng),;多協(xié)議網(wǎng)關(guān);RJ85;CAN,;RS485,;STM32  

0引言
  隨著傳感器、無線通信,、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線,、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于倉儲(chǔ)物流,、智能電網(wǎng),、公共安防、智能樓宇等領(lǐng)域,。物聯(lián)網(wǎng)的核心思想就是把任何物體都連到互聯(lián)網(wǎng)中,,其中起到重要作用的便是網(wǎng)關(guān)。便攜式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)現(xiàn)在在電子市場(chǎng)是一個(gè)新興產(chǎn)品[1],。當(dāng)前市面所能看到的網(wǎng)關(guān)都是針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的,,主要是將不同的局域網(wǎng)(以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等)互聯(lián)到Internet上,。沒有特定針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,,購買到的USB轉(zhuǎn)CAN模塊、USB轉(zhuǎn)RS232/RS485模塊等都是單接口轉(zhuǎn)換[2],,簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了硬件接口的匹配問題,,缺少以太網(wǎng)和CAN、MODbus等多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線互轉(zhuǎn)的模塊,。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  基于STM32嵌入式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)根據(jù)市面上在嵌入式工業(yè)網(wǎng)關(guān)方面的不足,、空缺和需求,從工程應(yīng)用角度研發(fā)一種基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN,、RS485/232和有線以太網(wǎng)的嵌入式多協(xié)議半雙工交叉通信的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品[3],。系統(tǒng)采用高性能32位ARM處理器STM32F407。主要研究?jī)?nèi)容包括:移植和優(yōu)化輕量LWip,、freeMODbus,、CANfestival通信協(xié)議,使其高速運(yùn)行在ARM處理器上,,實(shí)現(xiàn)嵌入式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì),。首先,,在沒有使用應(yīng)用層協(xié)議情況下,實(shí)現(xiàn)的通信方式主要為雙向透明傳輸模式:Ethernet與CAN接口互轉(zhuǎn),、Ethernet與RS485/232接口互轉(zhuǎn),、RS485/232與CAN接口互轉(zhuǎn),,CAN,、RS485/232接口可設(shè)置其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的波特率、字節(jié)大小等,。
  在添加了應(yīng)用層協(xié)議情況下,,實(shí)現(xiàn)的通信方式是:MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen單向半雙工傳輸設(shè)計(jì),。調(diào)度算法的設(shè)計(jì),,實(shí)現(xiàn)多協(xié)議半雙工交叉通信,解決任務(wù)切換,、信息緩存,、信息阻塞和誤碼等問題,給出了程序軟件設(shè)計(jì)方案和思路,。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
  圖1外觀結(jié)構(gòu)圖嵌入式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示,,包括以太網(wǎng)接口端子1、液晶顯示接口端子2,、電源接口端子3,、網(wǎng)關(guān)主體4、調(diào)試接口端子5,、模擬信號(hào)檢測(cè)接口端子6,、數(shù)字信號(hào)檢測(cè)接口端子7、RS232接口端子8,、CAN接口端子9,、RS485接口端子10。

圖像 001.png

  設(shè)計(jì)中以太網(wǎng)鏈路層采用主控芯片STM32F407內(nèi)部自帶的媒體訪問控制器MAC實(shí)現(xiàn),, MAC與物理層芯片通過RMII接口通信,,物理層采用DP83848實(shí)現(xiàn),集成極性檢測(cè)和校正10/100BaseT端口,,內(nèi)部集成高性能的DMA,。
  為了有效保護(hù)DP83848芯片和系統(tǒng)的安全,其輸出端通過變壓器隔離模塊HR911105A進(jìn)行隔離保護(hù),,輸入,、輸出差分線通過50 nF電容進(jìn)行濾波處理,屏蔽高頻信號(hào)的干擾,,震蕩電路采用集成的50 MHz有源晶振,,保證輸出的時(shí)鐘信號(hào)飽滿,、圓滑。網(wǎng)絡(luò)隔離模塊如圖2所示,。

圖像 002.png

  TD301D485H-A是一款集隔離電源和數(shù)據(jù)收發(fā)功能于一體的RS485總線收發(fā)隔離模塊,。該芯片主要功能是將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485接口協(xié)議的差分電平信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配,。通信波特率高達(dá)115 200 b/s,,同一網(wǎng)絡(luò)可支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。EMC防護(hù)電路如圖3所示,。

圖像 003.png

  TD301D232H是一款集隔離電源和數(shù)據(jù)收發(fā)功能于一體的RS232總線收發(fā)隔離模塊,。其該芯片主要功能是將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為232協(xié)議的電平信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平匹配,,通信波特率高達(dá)115 200 b/s,。EMC防護(hù)電路如圖4所示。

圖像 004.png

  TD301DCANH3是一款集隔離電源和數(shù)據(jù)收發(fā)功能于一體的CAN總線收發(fā)隔離模塊,。主要功能是將邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為CAN接口總線的差分信號(hào)電平,,實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配;波特率可達(dá)1.0 Mb/s,,同一網(wǎng)絡(luò)可支持110個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,,電磁抗干擾性高輻射低。EMC防護(hù)電路如圖5所示,。

圖像 005.png

3軟件設(shè)計(jì)
  3.1透?jìng)髂J?/strong>
  STM32F407所提供的DMA功能非常強(qiáng)大,,支持Ethernet、CAN,、RE485/232,、IIC、SPI等接口,。工作流程如圖6所示,,分別為以太網(wǎng)、CAN接口分配了數(shù)據(jù)緩存區(qū),,大小1.25 KB,,該緩存區(qū)是單向傳輸?shù)模唤邮崭咚俳涌诘挠行?shù)據(jù)并進(jìn)行緩存,,然后將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給低速的接口,。以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到CAN接口和RS串口,而CAN接口的數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)只需要發(fā)送給RS串口就可以了,,通過該緩存區(qū)的建立,,可以解決高速接口向低速接口傳輸數(shù)據(jù)的阻塞現(xiàn)象。

圖像 006.png

  3.2MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus半雙工傳輸
  網(wǎng)關(guān)采用MODbus TCP Slave與MODbus RTU/ASCII異步通信方式,。網(wǎng)關(guān)從以太網(wǎng)接口接收到請(qǐng)求報(bào)文信息,,在發(fā)送到RS232/485接口時(shí),,要做報(bào)文的解析轉(zhuǎn)換工作,MODbus TCP相對(duì)串行鏈路MODbus,,去掉了從機(jī)地址,、校驗(yàn)碼,添加從設(shè)備的ID號(hào),,做好CRC校驗(yàn),,刪除MBAP包頭,組合成完整的MODbus報(bào)文,。
  MODbus從機(jī)接收到相應(yīng)請(qǐng)求報(bào)文,,會(huì)返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)報(bào)文,,該報(bào)文是一幀完整的MODbus報(bào)文,,網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)將該幀信息通過以太網(wǎng)接口發(fā)送出去之前,要進(jìn)行Transaction ID添加,、Protocol ID添加,、Length添加、Unit ID添加組成一個(gè)MBAP包頭,,再將相應(yīng)的CRC校驗(yàn)刪除,,就構(gòu)成了一幀完整的MODbus TCP報(bào)文。
  該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)另外一個(gè)特點(diǎn)是最多可支持8個(gè)MODbus TCP主站連接到網(wǎng)關(guān)上,,允許8個(gè)用戶同時(shí)訪問相同的MODbus從機(jī)設(shè)備,,實(shí)現(xiàn)方法如圖7所示。

圖像 007.png

  MODbus TCP主站1~主站8同時(shí)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行TCP連接,,每一個(gè)主站都可以訪問連接在網(wǎng)關(guān)上的32個(gè)設(shè)備MODbusRTU/ASCII從機(jī)1~從機(jī)32,,并且每個(gè)MODbus TCP主站都有一個(gè)獨(dú)立的報(bào)文緩存區(qū),作用描述如圖7所,。當(dāng)多個(gè)主站設(shè)備同時(shí)訪問從機(jī)設(shè)備時(shí),,如果不做相關(guān)的處理則會(huì)出現(xiàn)信息阻塞現(xiàn)象。為了解決該問題,,系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)報(bào)文解析及逆解析的優(yōu)先級(jí)控制算法,,實(shí)現(xiàn)過程如下:
  (1)將8個(gè)報(bào)文緩存區(qū)構(gòu)建為一個(gè)緩存隊(duì)列,;
 ?。?)每當(dāng)一個(gè)主機(jī)設(shè)備連接網(wǎng)關(guān)時(shí),建立TCP連接時(shí)系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)地開辟一段報(bào)文緩存區(qū),,添加到隊(duì)列中區(qū),,TCP連接斷開時(shí),該緩存區(qū)便會(huì)刪除回收數(shù)據(jù)內(nèi)存,;
 ?。?)讀取報(bào)文時(shí),,每從一個(gè)緩存區(qū)讀取一幀有效報(bào)文數(shù)據(jù),處理結(jié)束時(shí),,便會(huì)讀取下一個(gè)緩存區(qū)的數(shù)據(jù),,而不會(huì)繼續(xù)讀取同一個(gè)緩存區(qū)的數(shù)據(jù),這樣可以保證每個(gè)主機(jī)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間均等,,提高速度,。
  (4)當(dāng)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)溢出時(shí),,系統(tǒng)不會(huì)再接收請(qǐng)求報(bào)文,,而是丟棄。
  3.3MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen半雙工傳輸
  MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)MODbus TCP主站與多個(gè)CANopen從站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信,。
  如圖8所示,,Data 1表示從MODbus TCP協(xié)議總線到CANopen協(xié)議總線的數(shù)據(jù)傳輸過程;Data 2表示從CANopen協(xié)議總線到MODbus TCP協(xié)議總線的數(shù)據(jù)傳輸過程,。

圖像 008.png

  網(wǎng)關(guān)獨(dú)立運(yùn)行在CANopen網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上,,根據(jù)對(duì)象字典索引號(hào)周期性地發(fā)出CANopen的SDO讀/寫命令,通過過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO發(fā)送和接收數(shù)據(jù),。同時(shí)MODbus TCP主站發(fā)送的命令信息被網(wǎng)關(guān)接收,,當(dāng)MODbusTCP發(fā)送的I/O數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文被收到時(shí),立即刷新和讀取最新CANopen緩存的數(shù)據(jù),,以此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高低速度的匹配,。
4系統(tǒng)測(cè)試
  4.1透?jìng)鳒y(cè)試

  實(shí)驗(yàn)過程都是在發(fā)送間隔為100 ms、傳輸次數(shù)為10 000下測(cè)試通過的,,測(cè)試了不同傳輸速率情況下的傳輸誤碼率,。其中,表1中的傳輸速率主要是針對(duì)串口RS485/232進(jìn)行設(shè)置的,。

圖像 009.png

  4.2應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)化測(cè)試
  MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus和MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen,,都是通過功能碼16,可以連續(xù)寫入多個(gè)數(shù)據(jù),以起始地址1000,、時(shí)間間隔1 000 ms向設(shè)備ID為1的MODbus從設(shè)備連續(xù)寫入30個(gè)數(shù),,1~10、100~1000,、1000~10 000,,寫操作成功,如圖9所示,。

圖像 010.png

  通過功能碼03可以連續(xù)讀取多個(gè)數(shù)據(jù),,以起始地址1000、時(shí)間間隔1 000 ms從設(shè)備ID為1的MODbus從設(shè)備連續(xù)讀30個(gè)數(shù),,成功讀取到上次寫入的數(shù)據(jù),。讀操作如圖10所示,。 

圖像 011.png

5結(jié)論
  通過上面的測(cè)試結(jié)果看到,,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性很好,。但從表1可以發(fā)現(xiàn),在透?jìng)鞯倪^程中,,低速接口的傳輸速率較慢時(shí),,如TCP & RS485/232中RS485/232的速率為4 800 b/s時(shí),便會(huì)出現(xiàn)0.31%的誤碼率,,其主要原因是,,透?jìng)魍穬啥私涌诘膫鬏斔俾氏嗖钸^大時(shí)緩存區(qū)溢出,可以通過加大緩存區(qū)來解決,。
  參考文獻(xiàn)
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