師 凱 ，李建奇 ，2，王文虎 ，2，潘 越 ，賀翠嫻

（1.湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，常德 415000；2.洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，常德 415000）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的日趨成熟，以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)通信等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。工業(yè)以太網(wǎng)是一種比較合適的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸速率能夠滿足大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的要求，傳輸距離遠(yuǎn)，建網(wǎng)簡單方便，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議很成熟，而且比較廉價(jià)[2]。目前，對工業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集與處理多采用RS232或RS485等串行總線來實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化，這些方式都存在傳輸速率有限和聯(lián)網(wǎng)能力不足等缺陷，而采用工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式研究和應(yīng)用很少[3]。在此，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)和嵌入式技術(shù)，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)的ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)以STM32F103作為主控芯片，利用定時(shí)器定時(shí)采集3路傳感器的數(shù)據(jù)[5]，并通過工業(yè)以太網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)一方面發(fā)送到STM32F103服務(wù)器上并通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示出來，另一方面采用遠(yuǎn)程客戶端的Web瀏覽器輸入微處理器相對應(yīng)的IP地址來訪問這些數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)達(dá)到多點(diǎn)采集的功能。

圖1 系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall solution architecture

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包含以下模塊：基本應(yīng)用系統(tǒng)電路，網(wǎng)卡模塊電路，人機(jī)接口電路，F(xiàn)lash存儲電路，電源模塊電路。

2.1 基本應(yīng)用系統(tǒng)

主控芯片STM32F103ZET6具有64 kB SRAM，512kB FLASH[6]?；緫?yīng)用系統(tǒng)由晶振電路和復(fù)位電路組成（如圖2所示），分別采用8 MHz和32.768 kHz的晶振為系統(tǒng)提供不同的動力。為確保系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路必不可少，其第一功能是上電復(fù)位。一般控制系統(tǒng)電路正常工作需要供電電源為3.3×（1±5%）V。本電路采用上電復(fù)位和低電平復(fù)位。

圖2 基本應(yīng)用系統(tǒng)電路Fig.2 Basic application system circuit diagram

2.2 網(wǎng)卡模塊電路

工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的以太網(wǎng)收發(fā)芯片種類較多，如SPI接口的ENC28J60，并口的 PTL8019S，CS8900A等。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用10 M ENC28J60網(wǎng)卡，ENC28J60與STM32F103網(wǎng)絡(luò)接口原理如圖3所示。

圖3 網(wǎng)卡驅(qū)動原理Fig.3 Network card driver schematic

以太網(wǎng)控制器ENC28J60內(nèi)部集成了MAC層和PHY層功能，支持10 Mb/s的全雙工以太網(wǎng)通信，在封裝上，該芯片只有28引腳，非常適合嵌入式設(shè)備的組網(wǎng)設(shè)計(jì)。ENC28J60在主機(jī)之間通過使用SPI串行接口與主控芯片通信，集成度高，簡單的訪問方式使得ENC28J60非常適合用于小型嵌入式設(shè)備。此外，ENC28J60內(nèi)核還集成了8 kB的SRAM用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩沖與接收，可大大提高與控制器之間交互效率。

STM32F103 具有 2 個(gè) SPI串行接口，SO，SI，SCK為SPI接口的3條信號線[7]，分別連接STM32的 PB14-SPI2-MISO，PB15-SPI2-MOSI，PB13-SPI2-SCK引腳上；CS是網(wǎng)卡芯片片選信號與STM32的PB12-SPI2-NSS連接；INT是中斷信號，連接到主控器STM32的PA1-EINT0-INT1上，網(wǎng)卡和主控器可以通過中斷的方式進(jìn)行通信，從而完成數(shù)據(jù)的快速接收和發(fā)送。網(wǎng)卡ENC28J60的2條差分接收引腳TPIN+，TPIN-和 2條差分發(fā)送引腳 TPOUT+，TPOUT-外接在集成有以太網(wǎng)隔離變壓器和RJ45插座的HR911105A上。

2.3 顯示模塊電路

LCD12864作為整個(gè)系統(tǒng)的顯示部分，完整地展示了通過工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)器采集到的數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地到達(dá)客戶端并實(shí)時(shí)顯示出來。液晶顯示器與STM32主控器的連接方式為串行方式，減少了I/O口的使用。具體連接方式為主控器的PE3口連接液晶顯示器的片選信號、PE4口連接顯示器的數(shù)據(jù)端口、PE5口連接顯示器的時(shí)鐘信號線，顯示電路如圖4所示。

2.4 Flash存儲電路

采用W25Q64BV （6 Mb）串行Flash存儲器芯片。該芯片屬于E2PROM的升級版，支持標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)SPI接口的設(shè)備，在2.7～3.6 V單電源工作電流消耗低至4 mA時(shí)主動關(guān)機(jī)。該W25Q64BV陣列是由256 B組成可編程32768頁，最多256 B可以同一時(shí)間編程，在本系統(tǒng)中被用作存儲Boot loader以及操作系統(tǒng)和程序代碼，具體電路如圖5所示。

圖4 液晶顯示電路Fig.4 Liquid crystaldisplay circuit

圖5 FLASH存儲電路Fig.5 FLASH storage circuit

2.5 電源模塊電路

采用的電源幅值是5 V和3.3 V。電源原理如圖6所示，首先由電源變壓器將交流220 V電壓降為交流18 V電壓，然后由整流、濾波電路得到穩(wěn)定輸出的直流電壓，最后通過三端穩(wěn)壓管7812和7912得到±12 V電壓，再由SPX29300得到3.3 V和5 V電壓。

圖6 電源模塊電路Fig.6 Power module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括嵌入式操作系統(tǒng)移植、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植和軟件功能開發(fā)三部分。為提高系統(tǒng)運(yùn)行性能和便于擴(kuò)展功能，本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III作為運(yùn)行平臺。μC/OS-III是一個(gè)可升級的、可固化的、基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)內(nèi)核，屬于第3代系統(tǒng)內(nèi)核；對于任務(wù)個(gè)數(shù)無限制，支持現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所必須的大部分功能，如資源管理、同步和任務(wù)間的通信等；還擁有其它實(shí)時(shí)內(nèi)核沒有的功能，如完備的運(yùn)行時(shí)間測量性能，直接發(fā)送信號或者消息到任務(wù)，任務(wù)可同時(shí)等待多個(gè)內(nèi)核對象，等。

為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信移植了LwIP協(xié)議棧。LwIP是一種輕型IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，只需十幾kB的RAM和40 kB左右的ROM就可以運(yùn)行，因此該協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用，適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。

系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)部分主要包括：主控程序設(shè)計(jì)，協(xié)議棧初始化程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)，終端顯示子程序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程控制子程序設(shè)計(jì)[8]。數(shù)據(jù)采集裝置利用配置的傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給Web客戶端實(shí)時(shí)顯示。

3.1 系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)

主控程序負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。①定義任務(wù)控制塊和任務(wù)堆棧的大小，設(shè)計(jì)多任務(wù)之間的優(yōu)先級；②運(yùn)行板載初始化程序完成設(shè)備初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O端口初始化、SPI初始化；③初始化μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，內(nèi)核初始化完成后，系統(tǒng)創(chuàng)建主任務(wù)，包括任務(wù)控制指針、控制名、代碼指針、優(yōu)先級、任務(wù)堆?；刂?、堆大小等；④在主任務(wù)中創(chuàng)建3個(gè)數(shù)據(jù)采集子任務(wù)和2個(gè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)并啟動操作系統(tǒng)。系統(tǒng)主控程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主控程序流程Fig.7 Flow chart of the main control program of the system

3.2 LwIP協(xié)議棧初始化

使用LwIP協(xié)議棧前，首先應(yīng)完成協(xié)議棧內(nèi)核初始化，與網(wǎng)卡相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)被注冊到內(nèi)核中，然后才可以利用網(wǎng)卡進(jìn)行以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)利用一個(gè)Lwip_init（）函數(shù)來完成議棧的初始化和網(wǎng)卡信息的注冊等，操作流程如圖8所示。

圖8 協(xié)議棧初始化流程Fig.8 Protocol stack initialization flow chart

初始化函數(shù)包括內(nèi)存初始化函數(shù)、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)、IP層初始化函數(shù)、TCP層初始化函數(shù)等。注冊網(wǎng)絡(luò)接口，需要用到最少3個(gè)IP地址參數(shù)，包括網(wǎng)關(guān)IP地址、終端IP地址以及對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼。接口結(jié)構(gòu)注冊通過調(diào)用函數(shù)netif_add（）完成，該函數(shù)除使用上述3個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)外，還將 ethernetif_init（），ethernet_input（）等2個(gè)函數(shù)地址作為參數(shù)。這2個(gè)函數(shù)地址會被賦予給netif結(jié)構(gòu)的相關(guān)字段，內(nèi)核通過這些字段指向的函數(shù)來完成網(wǎng)卡的初始化以及向上層遞交數(shù)據(jù)。經(jīng)過初始化后，程序可以使用網(wǎng)卡完成數(shù)據(jù)傳輸。主控程序可以讓子任務(wù)通過2種方式與網(wǎng)卡之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，即查詢方式和中斷方式。本系統(tǒng)軟件中主要通過輪詢查詢方式的完成數(shù)據(jù)操作。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集一般分為模擬量參數(shù)采集與數(shù)字開關(guān)量采集2種。本系統(tǒng)中，模擬量參數(shù)的采集采用數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器（DHT11），以單總線的方式與處理器的GPIO口連接，定時(shí)把采集的溫度、濕度數(shù)字量傳輸?shù)絊TM32F103微處理器上進(jìn)行處理。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程為首先將DHT11設(shè)置為輸出模式，處理器設(shè)置為輸入模式，判斷從機(jī)是否有低電平響應(yīng)信號，然后進(jìn)入循環(huán)直到從機(jī)發(fā)出80 μs的高電平，處理器開始接收數(shù)據(jù)，最后通過和校驗(yàn)檢測讀取的數(shù)據(jù)是否正確。對連續(xù)5次采集的數(shù)據(jù)會進(jìn)行一個(gè)平均值濾波處理，將平均值作為檢測值。數(shù)字開關(guān)量采集相對比較簡單，不再詳述。

3.4 終端顯示程序設(shè)計(jì)

LCD12864作為系統(tǒng)終端的顯示設(shè)備，具有操作簡單、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。STM32F103微處理器與液晶顯示器有串行和并行兩種通信方式。本設(shè)計(jì)采用串行通信方式，減少了GPIO口的使用。液晶顯示器與處理器通信時(shí)，首先拉高顯示器的片選信號，時(shí)鐘信號每產(chǎn)生一個(gè)下降沿?cái)?shù)據(jù)線傳輸1 b數(shù)據(jù)信號給顯示器，當(dāng)其接收到24 b數(shù)據(jù)就完成一次通信。液晶屏顯示的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集的通道號，采集的溫度、濕度值，以及端口的控制顯示，極大地方便了現(xiàn)場工作人員查看信息與控制操作。

3.5 Web遠(yuǎn)程控制程序設(shè)計(jì)

BSD socket是通信雙方的一種約定，用套接字中的相關(guān)函數(shù)來完成通信的過程。應(yīng)用層通過傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，TCP會遇到同時(shí)多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)的問題。多個(gè)TCP連接或者多個(gè)應(yīng)用程序需要通過同一個(gè)TCP協(xié)議端口傳輸數(shù)據(jù)[9]。本系統(tǒng)的終端顯示采用Web瀏覽器，通過IP地址即可訪問STM32F103微處理器采集的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程終端控制不受地理天氣等外界因素的影響，一方面可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)并動態(tài)地顯示在Web瀏覽器頁面上，另一方面可以通過瀏覽器頁面上的控制按鈕來選擇采集數(shù)據(jù)的通道。

Web瀏覽器在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上使用HTTP應(yīng)用層協(xié)議，按照HTML超文本傳輸協(xié)議和CGI，SSI等編寫的服務(wù)頁面。整個(gè)數(shù)據(jù)交互過程中首先HTTP發(fā)出請求，TCP監(jiān)聽到數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行HTTP協(xié)議解析，記住URL標(biāo)識在網(wǎng)頁中尋找各種name段的關(guān)鍵字并處理成一張數(shù)據(jù)表格，接著循環(huán)搜索已注冊的CGI處理程序，搜索完成后把參數(shù)表和參數(shù)總數(shù)提供給URI對應(yīng)的CGI處理函數(shù)處理，接著在網(wǎng)頁中搜索已注冊的SSI標(biāo)簽，找到后添加相應(yīng)的SSI消息重新組成一張新的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)并發(fā)送給瀏覽頁面，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)刷新。

當(dāng)在Web瀏覽器中輸入STM32F103微處理器對應(yīng)的IP地址時(shí)，瀏覽器會向STM32F103發(fā)出數(shù)據(jù)請求，此時(shí)處理器就作為一個(gè)服務(wù)器與客戶端實(shí)現(xiàn)三次握手，信號通過后開始發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。服務(wù)器調(diào)用 socket（），bind（），listen（）完成初始化后，調(diào)用accept（）阻塞等待，監(jiān)聽80端口的狀態(tài)，客戶端調(diào)用 socket（）初始化后，調(diào)用 connect（）發(fā)出 SYN段并阻塞等待服務(wù)器應(yīng)答，服務(wù)器應(yīng)答一個(gè)SYN-ACK段，客戶端收到后從connect（）返回，同時(shí)應(yīng)答一個(gè)ACK段，服務(wù)器收到后從accept（）返回，數(shù)據(jù)傳輸過程如圖9所示。連接建立后，TCP協(xié)議提供全雙工的通信服務(wù)，客戶端主動發(fā)起請求，服務(wù)器被動處理請求，采用應(yīng)答方式工作。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.9 Data transmission flow chart

4 系統(tǒng)試驗(yàn)與測試

通過對硬件和軟件的仔細(xì)設(shè)計(jì)和調(diào)試，ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)通過了連續(xù)72 h穩(wěn)定工作測試，當(dāng)出現(xiàn)傳感器脫落等故障時(shí)可自動報(bào)警，當(dāng)程序跑飛后會通過軟件看門狗自動重啟系統(tǒng)。工作現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度、濕度等參數(shù)采集后，通過ARM采集系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)直接通過液晶屏幕顯示出來，另一方面，遠(yuǎn)程客戶端通過IP地址，利用Web瀏覽器可遠(yuǎn)程對ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控操作，實(shí)際測試效果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)的實(shí)際顯示效果Fig.10 Test display effect chart

5 結(jié)語

分析了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，系統(tǒng)圍繞著提高系統(tǒng)性價(jià)比和穩(wěn)定性的需要，采用了高性價(jià)比的STM32F103ZET6芯片作為主控制器，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集板。移植μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧，采用以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)多點(diǎn)采集，設(shè)計(jì)了Web遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。通過對硬件和軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)的功能和性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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