鄒曉康，劉帥，張浩然
（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華321004）
摘要：基于STM32平臺，設計一種基于工業現場總線RS485、CAN和有線以太網的嵌入式多協議半雙工交叉通信的網關產品，主要采用STM32高性能ARM處理器作為核心控制芯片，實現RJ85、UART、CAN雙向透明傳輸設計、MODbusTCP轉MODbus單向半雙工傳輸設計、MODbusTCP轉CANopen單向半雙工傳輸設計，在現代工業現場具有很好的推廣價值。
關鍵詞：嵌入式系統；多協議網關；RJ85;CAN；RS485；STM32
0引言
隨著傳感器、無線通信、工業現場總線、嵌入式系統等技術的發展，物聯網已經廣泛應用于倉儲物流、智能電網、公共安防、智能樓宇等領域。物聯網的核心思想就是把任何物體都連到互聯網中，其中起到重要作用的便是網關。便攜式多協議網關現在在電子市場是一個新興產品［1］。當前市面所能看到的網關都是針對互聯網開發的，主要是將不同的局域網（以太網、令牌網等）互聯到Internet上。沒有特定針對工業現場總線開發的網關產品，購買到的USB轉CAN模塊、USB轉RS232/RS485模塊等都是單接口轉換［2］，簡單實現了硬件接口的匹配問題，缺少以太網和CAN、MODbus等多種工業現場總線互轉的模塊。
1系統設計
基于STM32嵌入式多協議網關根據市面上在嵌入式工業網關方面的不足、空缺和需求，從工程應用角度研發一種基于工業現場總線CAN、RS485/232和有線以太網的嵌入式多協議半雙工交叉通信的網關產品［3］。系統采用高性能32位ARM處理器STM32F407。主要研究內容包括：移植和優化輕量LWip、freeMODbus、CANfestival通信協議，使其高速運行在ARM處理器上，實現嵌入式多協議網關設計。首先，在沒有使用應用層協議情況下，實現的通信方式主要為雙向透明傳輸模式：Ethernet與CAN接口互轉、Ethernet與RS485/232接口互轉、RS485/232與CAN接口互轉，CAN、RS485/232接口可設置其傳輸的數據的波特率、字節大小等。
在添加了應用層協議情況下，實現的通信方式是：MODbusTCP轉MODbus單向半雙工傳輸設計，MODbusTCP轉CANopen單向半雙工傳輸設計。調度算法的設計，實現多協議半雙工交叉通信，解決任務切換、信息緩存、信息阻塞和誤碼等問題，給出了程序軟件設計方案和思路。
2系統硬件設計
圖1外觀結構圖嵌入式多協議網關的外觀結構如圖1所示，包括以太網接口端子1、液晶顯示接口端子2、電源接口端子3、網關主體4、調試接口端子5、模擬信號檢測接口端子6、數字信號檢測接口端子7、RS232接口端子8、CAN接口端子9、RS485接口端子10。
設計中以太網鏈路層采用主控芯片STM32F407內部自帶的媒體訪問控制器MAC實現， MAC與物理層芯片通過RMII接口通信，物理層采用DP83848實現，集成極性檢測和校正10/100BaseT端口，內部集成高性能的DMA。
為了有效保護DP83848芯片和系統的安全，其輸出端通過變壓器隔離模塊HR911105A進行隔離保護，輸入、輸出差分線通過50 nF電容進行濾波處理，屏蔽高頻信號的干擾，震蕩電路采用集成的50 MHz有源晶振，保證輸出的時鐘信號飽滿、圓滑。網絡隔離模塊如圖2所示。
TD301D485H-A是一款集隔離電源和數據收發功能于一體的RS485總線收發隔離模塊。該芯片主要功能是將邏輯電平信號轉換為RS485接口協議的差分電平信號，實現信號匹配。通信波特率高達115 200 b/s，同一網絡可支持32個節點連接。EMC防護電路如圖3所示。
TD301D232H是一款集隔離電源和數據收發功能于一體的RS232總線收發隔離模塊。其該芯片主要功能是將邏輯電平信號轉換為232協議的電平信號，實現信號電平匹配，通信波特率高達115 200 b/s。EMC防護電路如圖4所示。
TD301DCANH3是一款集隔離電源和數據收發功能于一體的CAN總線收發隔離模塊。主要功能是將邏輯信號電平轉換為CAN接口總線的差分信號電平，實現信號匹配；波特率可達1.0 Mb/s，同一網絡可支持110個節點連接，電磁抗干擾性高輻射低。EMC防護電路如圖5所示。
3軟件設計
3.1透傳模式
STM32F407所提供的DMA功能非常強大，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、CAN接口分配了數據緩存區，大小1.25 KB，該緩存區是單向傳輸的，只接收高速接口的有效數據并進行緩存，然后將緩存的數據發送給低速的接口。以太網接口數據緩存區的數據可以發送到CAN接口和RS串口，而CAN接口的數據緩存區的數據只需要發送給RS串口就可以了，通過該緩存區的建立，可以解決高速接口向低速接口傳輸數據的阻塞現象。
3.2MODbusTCP轉MODbus半雙工傳輸
網關采用MODbus TCP Slave與MODbus RTU/ASCII異步通信方式。網關從以太網接口接收到請求報文信息，在發送到RS232/485接口時，要做報文的解析轉換工作，MODbus TCP相對串行鏈路MODbus，去掉了從機地址、校驗碼，添加從設備的ID號，做好CRC校驗，刪除MBAP包頭，組合成完整的MODbus報文。
MODbus從機接收到相應請求報文，會返回對應的響應報文，該報文是一幀完整的MODbus報文，網關系統將該幀信息通過以太網接口發送出去之前，要進行Transaction ID添加、Protocol ID添加、Length添加、Unit ID添加組成一個MBAP包頭，再將相應的CRC校驗刪除，就構成了一幀完整的MODbus TCP報文。
該網關系統另外一個特點是最多可支持8個MODbus TCP主站連接到網關上，允許8個用戶同時訪問相同的MODbus從機設備，實現方法如圖7所示。
MODbus TCP主站1~主站8同時與網關設備進行TCP連接，每一個主站都可以訪問連接在網關上的32個設備MODbusRTU/ASCII從機1~從機32，并且每個MODbus TCP主站都有一個獨立的報文緩存區，作用描述如圖7所。當多個主站設備同時訪問從機設備時，如果不做相關的處理則會出現信息阻塞現象。為了解決該問題，系統中實現了一個報文解析及逆解析的優先級控制算法，實現過程如下：
（1）將8個報文緩存區構建為一個緩存隊列；
（2）每當一個主機設備連接網關時，建立TCP連接時系統會動態地開辟一段報文緩存區，添加到隊列中區，TCP連接斷開時，該緩存區便會刪除回收數據內存；
（3）讀取報文時，每從一個緩存區讀取一幀有效報文數據，處理結束時，便會讀取下一個緩存區的數據，而不會繼續讀取同一個緩存區的數據，這樣可以保證每個主機設備的響應時間均等，提高速度。
（4）當緩存區的數據溢出時，系統不會再接收請求報文，而是丟棄。
3.3MODbusTCP轉CANopen半雙工傳輸
MODbusTCP轉CANopen可以實現1個MODbus TCP主站與多個CANopen從站設備之間的數據通信。
如圖8所示，Data 1表示從MODbus TCP協議總線到CANopen協議總線的數據傳輸過程；Data 2表示從CANopen協議總線到MODbus TCP協議總線的數據傳輸過程。
網關獨立運行在CANopen網絡協議上，根據對象字典索引號周期性地發出CANopen的SDO讀/寫命令，通過過程數據對象PDO發送和接收數據。同時MODbus TCP主站發送的命令信息被網關接收，當MODbusTCP發送的I/O數據請求報文被收到時，立即刷新和讀取最新CANopen緩存的數據，以此實現網絡高低速度的匹配。
4系統測試
4.1透傳測試
實驗過程都是在發送間隔為100 ms、傳輸次數為10 000下測試通過的，測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串口RS485/232進行設置的。
4.2應用協議轉化測試
MODbusTCP轉MODbus和MODbusTCP轉CANopen，都是通過功能碼16,可以連續寫入多個數據，以起始地址1000、時間間隔1 000 ms向設備ID為1的MODbus從設備連續寫入30個數，1~10、100~1000、1000~10 000，寫操作成功，如圖9所示。
通過功能碼03可以連續讀取多個數據，以起始地址1000、時間間隔1 000 ms從設備ID為1的MODbus從設備連續讀30個數，成功讀取到上次寫入的數據。讀操作如圖10所示。
5結論
通過上面的測試結果看到，系統運行穩定性很好。但從表1可以發現，在透傳的過程中，低速接口的傳輸速率較慢時，如TCP & RS485/232中RS485/232的速率為4 800 b/s時，便會出現0.31%的誤碼率，其主要原因是，透傳通路兩端接口的傳輸速率相差過大時緩存區溢出，可以通過加大緩存區來解決。
參考文獻
［1］ 沈永春，姜寧，張功鍍.嵌入式多協議網關的設計與實現［J］.自動化儀表，2007，28（3）:812.
［2］ 鮑建行.嵌入式TCP/IP協議棧LWIP的并發性能優化［D］.北京：北京交通大學，2011.
［3］ 張厚林.CAN open通訊協議設計與實現［D］.武漢：華電科技大學，2009.