李 飛

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技術(shù)有限公司， 北京 100048）

0 引言

隨著國(guó)家民航業(yè)大力發(fā)展， 機(jī)場(chǎng)安保系統(tǒng)供應(yīng)廠家越來(lái)越多且越來(lái)越復(fù)雜化， 因此安檢設(shè)備需要和不同合作廠商進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在許多場(chǎng)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[1]，由于設(shè)備差異或者特有通信模塊的高成本，導(dǎo)致接口方式很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，為此本文設(shè)計(jì)了一種安檢機(jī)應(yīng)用的多路多源通信板。 此通信板以STM32 為主控制器，結(jié)合各種通信芯片和控制芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路可配置GPIO、多路RS232/RS422 和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和邏輯控制， 滿足了安檢設(shè)備靈活對(duì)接多種接口的功能，液晶模塊對(duì)安檢設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行顯示，方便現(xiàn)場(chǎng)糾錯(cuò)和調(diào)試，降低了企業(yè)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多路多源通信板主要由32 路可配置GPIO 輸入、24路無(wú)源接點(diǎn)輸出、4 路串行接口（RS232/RS422）、1 路以太網(wǎng)通信接口 （W5100）、1 塊EEPROM 存儲(chǔ)器芯片以及1塊12864 液晶顯示模塊組成，通信板系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 通信板系統(tǒng)框圖

STM32 芯片作為多路多源通信板的核心控制器，主要控制協(xié)調(diào)各路串行信號(hào)和以太網(wǎng)信號(hào)的發(fā)送、接收、緩存處理以及當(dāng)前狀態(tài)輸出和液晶顯示、安檢設(shè)備GPIO 信號(hào)的輸入/輸出狀態(tài)變化，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)或合作廠商對(duì)安檢設(shè)備的狀態(tài)采集和控制等功能， 通信板實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 通信板實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

根據(jù)各控制芯片的供電需求， 需要將輸入電壓24V 轉(zhuǎn)換為5V 和3.3V，為了提高轉(zhuǎn)換效率、增加電壓轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，24V 轉(zhuǎn)5V 芯片選用明緯的SPUN02N-5 芯片，該芯片具有輸入輸出電壓隔離達(dá)到3KVDC、內(nèi)部集成短路/過(guò)載保護(hù)。5V 轉(zhuǎn)3.3V電源電路芯片選用低壓差線性穩(wěn)壓器LM1117[2]，結(jié)合LM1117芯片典型輸出特性、 芯片結(jié)對(duì)環(huán)境發(fā)熱系數(shù)等參數(shù)計(jì)算后選用芯片的封裝為SOT-223，電源電路圖見(jiàn)圖3。

圖3 電源電路圖

2.2 STM32 主控電路

通信板要求芯片處理速度快、 兼容性好且價(jià)格低廉，所以本設(shè)計(jì)選用的是ST 公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6 型號(hào)處理器， 此芯片搭載了性能優(yōu)越的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，嵌入了512K 字節(jié)FLASH 和64K 字節(jié)SRAM 存儲(chǔ)器，最高工作頻率可達(dá)72MHz，GPIO 通用接口達(dá)到112 個(gè)，具有多個(gè)可復(fù)用的SPI、I2C、串口，可搭載多種外設(shè)等一系列優(yōu)點(diǎn)[3]。本設(shè)計(jì)采用8M 無(wú)源晶振、啟動(dòng)區(qū)域?yàn)橹鏖W存存儲(chǔ)、調(diào)試下載用2 線制的SWD 方式，主控電路框圖見(jiàn)圖4。

圖4 主控電路框圖

2.3 GPIO 端口信號(hào)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)通過(guò)無(wú)源接點(diǎn)交互具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，傳輸實(shí)時(shí)性好、 接線方式簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 此通信板也實(shí)現(xiàn)了無(wú)源接點(diǎn)的采集和輸出的功能。

2.3.1 GPIO 輸入信號(hào)

GPIO 輸入信號(hào)根據(jù)實(shí)際使用情況分兩種：

（1）采集安檢機(jī)（簡(jiǎn)稱內(nèi)部信號(hào)）信號(hào)，由于此部分信號(hào)在機(jī)器內(nèi)部有穩(wěn)定性處理并且有確定電性， 根據(jù)被采集信號(hào)內(nèi)部定義，信號(hào)狀態(tài)為邏輯低電平有效，所以設(shè)計(jì)如圖5 電路進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)單向TVS[4]確保電路信號(hào)穩(wěn)定性，抑制瞬態(tài)干擾。為了提高對(duì)使用中通道的直觀顯示，在每個(gè)通道上添加LED 指示燈。 根據(jù)GPIO 端口采集的頻率，設(shè)計(jì)合理的RC 數(shù)值。

圖5 輸入信號(hào)電路示意圖1

（2）采集合作廠家（簡(jiǎn)稱外部信號(hào)）信號(hào)，由于外部信號(hào)電平的不確定性， 需要將采集信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為與主控芯片MCU 匹配的電平信號(hào)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾信號(hào)，所以必須阻止干擾信號(hào)進(jìn)入通信板，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 光電耦合器（筒稱光耦）是常用的轉(zhuǎn)換隔離器件，在光耦工作過(guò)程中，光在其中發(fā)揮重要的載體作用，不受電磁等干擾，能夠保證進(jìn)出信號(hào)的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離[5]。 依據(jù)設(shè)備使用實(shí)際環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用TLP281光電耦合器以保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。 光耦隔離的輸入和輸出部分切記分別獨(dú)立供電，以免失去隔離意義。輸入信號(hào)電路示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 輸入信號(hào)電路示意圖2

根據(jù)實(shí)際情況，外部輸入信號(hào)大致分為兩類：外部供電信號(hào)和無(wú)源接點(diǎn)信號(hào)。 外部輸入信號(hào)接線見(jiàn)表1。

表1 外部輸入信號(hào)接線

針對(duì)輸入信號(hào)的接線做如下簡(jiǎn)單說(shuō)明： 定義外部對(duì)接電纜為2 芯線，其中一根為A，另一根為B。

2.3.2 GPIO 輸出信號(hào)

本設(shè)計(jì)采用TI 公司的ULN2803A 達(dá)林頓晶體管陣列進(jìn)行繼電器驅(qū)動(dòng)[6]，ULN2803A 的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL 系列兼容，并且耐壓高，電流大。 繼電器采用歐姆龍G6DN 系列，G6DN 具有高達(dá)5A 的高開(kāi)關(guān)容量， 通過(guò)采用縱橫雙觸頭設(shè)計(jì)具有更高的接觸可靠性， 同時(shí)符合加強(qiáng)絕緣的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)EN61010-1 和EN61010-2-201。 單路輸出電路示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 單路輸出電路示意圖

2.4 RS232/RS422 串行通信

該電路RS232/RS422 信號(hào)中采用SIPEX 公司生產(chǎn)的SP3232E[7]雙路收發(fā)器和SP3490E 全雙工收發(fā)器進(jìn)行交互電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。 本次設(shè)計(jì)采用MCU 的一個(gè)串口同時(shí)連接RS232 和RS422 的方式，這樣既節(jié)省串口，又提高了對(duì)外接口的多樣性。 SP3232E 芯片優(yōu)點(diǎn)為在人體放電模式和IEC1000-4-2 空氣放電試驗(yàn)?zāi)Ｊ较翬SD 容差為±15kV。SP3490E 芯片為低功耗全雙工收發(fā)器， 符合RS422 串行協(xié)議規(guī)格，在有負(fù)載情況下最低10Mbps 通信速率。 為了提高通信的穩(wěn)定性和抗干擾性， 在串行信號(hào)輸入和接收端設(shè)計(jì)正確的TVS 管， 經(jīng)測(cè)試滿足設(shè)計(jì)規(guī)則并且設(shè)備的可靠性顯著提高。 單路串行通信電路示意圖，見(jiàn)圖8。

圖8 單路串行通信電路示意圖

2.5 液晶顯示部分

本設(shè)計(jì)顯示部分采用液晶顯示模塊LCD12864[8]，經(jīng)過(guò)合理性評(píng)估采用南京羅姆公司的WYM12864K14 型號(hào)，通信方式采用并行通信， 顯示方式為藍(lán)底白字方式且?guī)П彻?，顯示示意圖見(jiàn)圖9。 本設(shè)計(jì)采用液晶模塊顯示當(dāng)前設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，相比于以往的觀察輸入輸出點(diǎn)位方式，此種方式更加直觀明了， 方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員去對(duì)接和分析問(wèn)題。

圖9 顯示示意圖

2.6 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)以其開(kāi)放性、可靠性、價(jià)格低、速度高、傳輸距離遠(yuǎn)、多種傳輸介質(zhì)可選、連接方式靈活多變、易于組網(wǎng)應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用[9]，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越多的現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

本設(shè)計(jì)采用WIZnet 公司的W5100 芯片，全硬件TCP/IP 協(xié)議棧是它的一項(xiàng)專利產(chǎn)品， 它簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，節(jié)約了芯片內(nèi)部資源等，同時(shí)內(nèi)部還集成了MAC和PHY，減少了工程師開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本[10]。

W5100 與主機(jī)進(jìn)行通信支持直接并行總線、 間接并行總線以及高速SPI 接口3 種方式， 本設(shè)計(jì)W5100 采用直接并行總線方式，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電路框圖見(jiàn)圖10，設(shè)計(jì)中采用13F-60FGYDPNW2 電磁隔離型RJ45 接口實(shí)現(xiàn)電氣隔離，W5100 電路示意圖見(jiàn)圖11。

圖10 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電路框圖

圖11 W5100 電路示意圖

2.7 存儲(chǔ)EEPROM

本設(shè)計(jì)中EEPROM 芯片采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT24C02 型號(hào)芯片，此芯片和MCU 通信采用IIC 模式，IIC（Inter-Integrated Circuit）是現(xiàn)今主流的串行通訊協(xié)議的一種，在IIC 傳輸中，由數(shù)據(jù)線SDA 和時(shí)鐘SCL 構(gòu)成的串行總線，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[11]。 這種傳輸方式具有交互信號(hào)線少，設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，電路示意圖見(jiàn)圖12。 每個(gè)通信板IP 默認(rèn)寫入EEPROM，也可針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行隨時(shí)修改，通信板IP 顯示示意圖見(jiàn)圖13。

圖12 IIC 電路示意圖

圖13 通信板IP 顯示示意圖

3 軟件程序編寫

由于涉及公司項(xiàng)目，軟件部分針對(duì)不同的使用模式用A/B/C 代替， 進(jìn)行程序編寫，將當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)直觀的顯示在液晶面板上。 本設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil uVison5，采用C 語(yǔ)言編寫，秉承模塊化設(shè)計(jì)，提高程序的簡(jiǎn)便性和可移植性。初始化部分包括：延遲函數(shù)、GPIO 口、映射、USART、LCD12864、IIC、中斷、定時(shí)器等。 網(wǎng)口部分采用TCP/IP 協(xié)議，通信板作為服務(wù)器模式端SERVER， 遠(yuǎn)程控制端作為客戶端CLIENT進(jìn)行交互通信。 系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)略流程示意圖見(jiàn)圖14。

圖14 系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)略流程示意圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了測(cè)試在不同模式下多源多通道板數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性，搭建實(shí)際環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通信板長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，輸入輸出均工作正常，串口和網(wǎng)口均可按照內(nèi)部邏輯正常工作。所以表明通信板穩(wěn)定可靠，此設(shè)計(jì)滿足應(yīng)用要求。通信板實(shí)物照片見(jiàn)圖15，網(wǎng)口數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，網(wǎng)口通信示意圖見(jiàn)圖16。

圖15 通信板實(shí)物照片

圖16 網(wǎng)口通信監(jiān)聽(tīng)示意圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的以STM32 為核心的多路多源通信板，擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多串口通信，可配置的GPIO 信號(hào)采集和處理， 具有良好的可移植性等優(yōu)點(diǎn)。此接口板集成度高、穩(wěn)定性好、接線方式簡(jiǎn)單、相對(duì)低成本，可以適用于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，所以此多功能接口板有很高的使用價(jià)值，是一款高性價(jià)比很高的通信板。