鄒曉康，劉帥，張浩然

　　（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華321004）

       摘要：基于STM32平臺，設(shè)計一種基于工業(yè)現(xiàn)場總線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，實現(xiàn)RJ85、UART、CAN雙向透明傳輸設(shè)計、MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus單向半雙工傳輸設(shè)計、MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen單向半雙工傳輸設(shè)計，在現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場具有很好的推廣價值。

　　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)在在電子市場是一個新興產(chǎn)品［1］。當(dāng)前市面所能看到的網(wǎng)關(guān)都是針對互聯(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。沒有特定針對工業(yè)現(xiàn)場總線開發(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］，簡單實現(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)場總線互轉(zhuǎn)的模塊。

1系統(tǒng)設(shè)計

　　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。主要研究內(nèi)容包括：移植和優(yōu)化輕量LWip、freeMODbus、CANfestival通信協(xié)議，使其高速運行在ARM處理器上，實現(xiàn)嵌入式多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計。首先，在沒有使用應(yīng)用層協(xié)議情況下，實現(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，實現(xiàn)的通信方式是：MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus單向半雙工傳輸設(shè)計，MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen單向半雙工傳輸設(shè)計。調(diào)度算法的設(shè)計，實現(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)計方案和思路。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　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、模擬信號檢測接口端子6、數(shù)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(shè)計中以太網(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實現(xiàn)， MAC與物理層芯片通過RMII接口通信，物理層采用DP83848實現(xiàn)，集成極性檢測和校正10/100Base T端口，內(nèi)部集成高性能的DMA。

　　為了有效保護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(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轉(zhuǎn)換為RS485接口協(xié)議的差分電平信號，實現(xiàn)信號匹配。通信波特率高達115 200 b/s，同一網(wǎng)絡(luò)可支持32個節(jié)點連接。EMC防護電路如圖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轉(zhuǎn)換為232協(xié)議的電平信號，實現(xiàn)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(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電平轉(zhuǎn)換為CAN接口總線的差分信號電平，實現(xiàn)信號匹配；波特率可達1.0 Mb/s，同一網(wǎng)絡(luò)可支持110個節(jié)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(shè)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(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)模唤邮崭咚俳涌诘挠行?shù)據(jù)并進行緩存，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)接口接收到請求報文信息，在發(fā)送到RS232/485接口時，要做報文的解析轉(zhuǎn)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(shè)備的ID號，做好CRC校驗，刪除MBAP包頭，組合成完整的MODbus報文?！　ODbus從機接收到相應(yīng)請求報文，會返回對應(yīng)的響應(yīng)報文，該報文是一幀完整的MODbus報文，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(yīng)的CRC校驗刪除，就構(gòu)成了一幀完整的MODbus TCP報文?！　≡摼W(wǎng)關(guān)系統(tǒng)另外一個特點是最多可支持8個MODbus TCP主站連接到網(wǎng)關(guān)上，允許8個用戶同時訪問相同的MODbus從機設(shè)備，實現(xiàn)方法如圖7所示。

　　MODbus TCP主站1~主站8同時與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行TCP連接，每一個主站都可以訪問連接在網(wǎng)關(guān)上的32個設(shè)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(qū)，作用描述如圖7所。當(dāng)多個主站設(shè)備同時訪問從機設(shè)備時，如果不做相關(guān)的處理則會出現(xiàn)信息阻塞現(xiàn)象。為了解決該問題，系統(tǒng)中實現(xiàn)了一個報文解析及逆解析的優(yōu)先級控制算法，實現(xiàn)過程如下：

　　（1）將8個報文緩存區(qū)構(gòu)建為一個緩存隊列；

　?。?）每當(dāng)一個主機設(shè)備連接網(wǎng)關(guān)時，建立TCP連接時系統(tǒng)會動態(tài)地開辟一段報文緩存區(qū)，添加到隊列中區(qū)，TCP連接斷開時，該緩存區(qū)便會刪除回收數(shù)據(jù)內(nèi)存；

　?。?）讀取報文時，每從一個緩存區(qū)讀取一幀有效報文數(shù)據(jù)，處理結(jié)束時，便會讀取下一個緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，而不會繼續(xù)讀取同一個緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，這樣可以保證每個主機設(shè)備的響應(yīng)時間均等，提高速度。

　?。?）當(dāng)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)溢出時，系統(tǒng)不會再接收請求報文，而是丟棄。

　　3.3MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen半雙工傳輸　　MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen可以實現(xiàn)1個MODbus TCP主站與多個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)獨立運行在CANopen網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上，根據(jù)對象字典索引號周期性地發(fā)出CANopen的SDO讀/寫命令，通過過程數(shù)據(jù)對象PDO發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時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)請求報文被收到時，立即刷新和讀取最新CANopen緩存的數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高低速度的匹配。

4系統(tǒng)測試

　　4.1透傳測試

　　實驗過程都是在發(fā)送間隔為100 ms、傳輸次數(shù)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(shè)置的。

　　4.2應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)化測試

　　MODbusTCP轉(zhuǎn)MODbus和MODbusTCP轉(zhuǎn)CANopen，都是通過功能碼16,可以連續(xù)寫入多個數(shù)據(jù)，以起始地址1000、時間間隔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)讀取多個數(shù)據(jù)，以起始地址1000、時間間隔1 000 ms從設(shè)備ID為1的MODbus從設(shè)備連續(xù)讀30個數(shù)，成功讀取到上次寫入的數(shù)據(jù)。讀操作如圖10所示?！?/p>

5結(jié)論

　　通過上面的測試結(jié)果看到，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性很好。但從表1可以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(qū)溢出，可以通過加大緩存區(qū)來解決。

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