鄒曉康,，劉帥，張浩然
?。ㄕ憬瓗煼洞髮W(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,。
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10/100BaseT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。
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,。
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,。
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,。
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)?，只接收高速接口的有效?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,。
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,。
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：
?。?）將8個(gè)報(bào)文緩存區(qū)構(gòu)建為一個(gè)緩存隊(duì)列,；
（2）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,；
（3）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。
?。?）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,。
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,。
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。
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,。
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。
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