摘  要： 基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片STM32F107所構(gòu)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(wù)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(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 車橋總成,；STM32F107,；以太網(wǎng)；μC/OS-II,；LwIP協(xié)議棧

　車橋生產(chǎn)企業(yè)錄入VIN編碼時,，經(jīng)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(chǎn)率,，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。至此,，實時錄入工位車橋總成信息的終端具有應(yīng)用的現(xiàn)實意義,。由STM32F107構(gòu)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(wù)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(nèi)核的ARM芯片STM32F107為處理器,，構(gòu)建STM32應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)工序?qū)?yīng)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(dāng)班總調(diào)度的要求實時調(diào)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(shè)計
　終端硬件分為STM32應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn),。復(fù)位方式為系統(tǒng)外部復(fù)位,，通過按下獨立按鍵，向NRST引腳輸入低電平,，完成復(fù)位,。STM32的內(nèi)核集成了串行線/JTAG調(diào)試接口用于接調(diào)試器，便于程序的調(diào)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(qū)動芯片DP83848構(gòu)成的的PHY（物理層）接口相連接,，再與網(wǎng)絡(luò)變壓器,、RJ45插槽相連接，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,。STM32F107以太網(wǎng)模塊支持兩種模式接口：獨立介質(zhì)接口（MII）和簡化獨立介質(zhì)接口（RMII）[3],。設(shè)計選擇獨立介質(zhì)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(nèi)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(rèn)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(luò)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(dāng)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(dǎo)體LM2576HVS-3.3芯片將直流+48 V轉(zhuǎn)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(shè)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(wù),，通過μC/OS-II任務(wù)調(diào)度,，完成任務(wù)的切換與運行。嵌入LwIP協(xié)議棧,，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議層的構(gòu)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(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核,，缺少對外圍設(shè)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(chǔ)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(guān)系如圖4所示,。

　sys_arch.h中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù),，分為四個部份：
　（1）sys_sem_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信號量函數(shù)
　struct sys_sem_t,；sys_sem_new（）,；
　sys_sem_free（）,；sys_sem_signal（）；
　sys_arch_sem_wait（）,；
?。?）sys_mbox_t消息函數(shù)
　sys_mbox_new（）；sys_mbox_free（）,；
　sys_mbox_post（）,；sys_arch_mbox_fetch（）；
?。?）系統(tǒng)超時函數(shù)
　struct sys_timeouts*
　sys_arch_timeouts（void）
?。?）創(chuàng)建新線程函數(shù)
　void sys_thread_new（void（*thread）（void*arg），void*arg）,；
3.2 任務(wù)劃分和資源分配
　μC/OS-II是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)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(wù)，每個任務(wù)負責(zé)完成相應(yīng)工作,，系統(tǒng)功能由多個任務(wù)協(xié)作完成[6],。任務(wù)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(wù)分配如表1所示,。在起始任務(wù)中建立了一系列的郵箱信號來協(xié)調(diào)各個任務(wù)的運行,，資源分配如表2所示。

　終端μC/OS-II系統(tǒng)設(shè)置為每隔50 ms進行一次任務(wù)切換,，以太網(wǎng)任務(wù)用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,；終端選擇任務(wù)是通過功能按鍵中斷觸發(fā)來選擇任務(wù)，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(wù)主要完成人機信息的交互,；指示報警任務(wù)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(wù)對資源的申請，以及任務(wù)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(wù)與任務(wù)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(wù)
　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(biāo)準(zhǔn),，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,。
?。?）以太網(wǎng)任務(wù)初始化。針對此任務(wù)的變量,、標(biāo)志位以及LwIP協(xié)議棧初始化,，其包括Heap型內(nèi)存初始化，Pool型內(nèi)存初始化,，網(wǎng)絡(luò)配置初始化,，宏定義初始化等。
?。?）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(zhuǎn)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(wù)器，又做客服端,，這樣增加了終端程序的任務(wù)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(wù)進行處理,。有以太網(wǎng)郵件的到來才會激活以太網(wǎng)任務(wù)，否則,，以太網(wǎng)任務(wù)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(yīng)的PC或者終端中。以太網(wǎng)通信任務(wù)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(yīng)的終端,，工位終端的選擇。
　利用“網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(wù)器。在“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件”對話框中設(shè)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(rèn)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(rèn)無誤后,，再依次輸入分成號、工序號,、操作者號,，點擊確認(rèn)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(jié)合μC/OS-II和以太網(wǎng)技術(shù)技術(shù)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(wù)的建立,，既加強了各外設(shè)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,。
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