基于STM32數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換接口器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

引言

在當(dāng)今高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，涉及的數(shù)據(jù)對(duì)象趨于多樣化，這些數(shù)據(jù)通常采用不同的電氣接口，具有不同的傳輸速率、傳輸方向?，F(xiàn)代機(jī)電一體化控制設(shè)備中，如工業(yè)加注機(jī)、設(shè)備清洗機(jī)控制系統(tǒng)基本是ＰＬＣ與顯示屏加儀表等構(gòu)成的小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。但現(xiàn)在工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化、智能化時(shí)代，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，要求信息共享，生產(chǎn)過(guò)程信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理，提高生產(chǎn)效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度。所以要滿足上述需求，保留原有設(shè)備及控制系統(tǒng)，進(jìn)行新老交替，則需要在原有控制柜基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)交換接口模塊，如圖１所示?；诖耍覀円?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理器STM32為核心，設(shè)計(jì)了適于多種標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)傳輸接口器，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

圖１具有數(shù)據(jù)傳輸交換接口器的控制系統(tǒng)框架

１、接口器原理

該接口器以STM32Ｆ微控制器為核心，配一ＲＳ－２３２電平轉(zhuǎn)換芯片，ＲＳ－４８５轉(zhuǎn)換芯片，以太網(wǎng)控制芯片，ＥＰ－ＰＲＯＭ存儲(chǔ)芯片、ＳＤ卡以及時(shí)鐘控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)。

系統(tǒng)主要分了５個(gè)部分：電源管理模塊，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊和輸入輸出模塊，如圖２所示。

圖２數(shù)據(jù)交換接口器原理框架

２、硬件設(shè)計(jì)

２．１、接口器控制核心

該接口器核心是ＳＴ系列的工業(yè)級(jí)單片機(jī)芯片STM32Ｆ１０７ＶＣＴ６。該芯片是ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核的３２位微控制器，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，寬電壓２－３．５Ｖ使用范圍，硬件集成了乘除算法，便于進(jìn)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，該芯片的升級(jí)版具有ＤＳＰ功能，運(yùn)算能力強(qiáng)，速度快；可嵌入操作系統(tǒng)，其運(yùn)算能力較工業(yè)控制機(jī)強(qiáng)的多。控制器外圍電路選用２個(gè)外部晶體諧振器，頻率分別是２５ＭＨｚ和３２．７６８ｋＨｚ。一個(gè)單獨(dú)的２５ＭＨｚ晶體可以為整個(gè)系統(tǒng)和所有包括以太網(wǎng)和全速ＵＳＢＯＴＧ的外設(shè)提供時(shí)鐘。一個(gè)單獨(dú)３２．７６８ｋＨｚ的低速外部晶體諧振器為實(shí)時(shí)時(shí)鐘或者其它定時(shí)功能提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。用戶可以通過(guò)多個(gè)分頻器來(lái)配置ＡＨＢ和ＡＰＢ，從而使得系統(tǒng)的各個(gè)外設(shè)都能獲得合適的時(shí)鐘。

２．２、電源管理模塊

由于現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所使用的設(shè)備一般都是２４Ｖ直流供電，該接口器采用了２４Ｖ直流供電。接口器的控制核心芯片電壓為３．３Ｖ，所以為了滿足要求，就必需要進(jìn)行一系列的電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而滿足各個(gè)功能模塊的供電需求。

該接口器有繼電器輸出，為了防止數(shù)字信號(hào)受到模擬信號(hào)的干擾，選用ＬＭ２５９６－５．０芯片、ＤＣ－ＤＣ隔離開(kāi)關(guān)電源模塊１９Ｄ－０５Ｓ０５Ｒ、兩片ＳＰＸ１１１７芯片。如圖３所示，該電路輸出兩路３．３Ｖ電源，實(shí)現(xiàn)模擬地和數(shù)字地的隔離。１９Ｄ－０５Ｓ０５Ｒ隔離模塊防浪涌、防電磁干擾、抑制尖峰電流設(shè)計(jì)。該電路十分穩(wěn)定可靠，同時(shí)加二極管Ｄ１實(shí)現(xiàn)反向保護(hù)。

圖３電源管理模塊框架

２．３、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

該接口器擴(kuò)展１片容量為２５６Ｋ的ＡＴ２５２５６的ＥＥＰ－ＲＯＭ芯片。該芯片的擦寫周期為１０００００次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間大于２００年，應(yīng)用穩(wěn)定可靠。主要應(yīng)用存放重要數(shù)據(jù)和參數(shù)。該芯片與STM32接口方式采用的是ＳＰＩ同步串行總線通信方式。為滿足現(xiàn)場(chǎng)頻繁儲(chǔ)存的大量數(shù)據(jù)，該接口器設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ＳＤ卡接口，如圖４所示，最大可擴(kuò)展到２ＧＢ，使用的ＳＤ卡是ＳＰＩ模式通信，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)記錄以及供上位機(jī)通過(guò)ＲＳ２３２／ＲＳ４８５總線、以太網(wǎng)調(diào)用的目的。

圖４ＳＤ卡與STM32接口電路

２．４、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

該接口器設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器，主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄時(shí)的時(shí)間參考，同時(shí)也提供一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，該系統(tǒng)采用的時(shí)鐘芯片是ＲＸ８０２５。ＲＸ８０２５是愛(ài)普生（ＥＰ－ＳＯＮ）公司生產(chǎn)的一種采用Ｉ２Ｃ總線接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，內(nèi)置高精度可調(diào)整的３２．７６８ｋＨｚ的水晶振子，工作穩(wěn)定可靠，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)它的功能非常完善，支持多達(dá)６種中斷事件產(chǎn)生中斷，可以啟動(dòng)２種鬧鈴功能，當(dāng)芯片振動(dòng)停止時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，可以進(jìn)行時(shí)鐘精度調(diào)整以及電源電壓監(jiān)視功能。另外內(nèi)部振蕩回路是以固定電壓驅(qū)動(dòng)，因而可獲得受電壓變動(dòng)影響小且穩(wěn)定的３２．７６８ｋＨｚ時(shí)鐘輸出。如圖５所示。

圖５實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

２．５、標(biāo)準(zhǔn)通訊接口

該接口器的核心功能模塊便是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，它包括４種接口，分別是標(biāo)準(zhǔn)ＲＳ－２３２接口，ＲＳ－４８５接口，標(biāo)準(zhǔn)ＲＪ－４５接口和標(biāo)準(zhǔn)ＭｉｎｉＵＳＢ２．０接口。這４種接口可謂是目前市場(chǎng)上各種終端設(shè)備使用最多的數(shù)據(jù)接口了。ＲＳ－２３２接口選用ＭＡＸ３２３２芯片進(jìn)行電平匹配，ＲＳ－４８５選用ＳＰ３４８５芯片實(shí)現(xiàn)ＲＳ４８５協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)通訊隔離，該接口電平全部采用高速ＡＤＵＭ１３１１磁耦隔離進(jìn)行隔離，該隔離芯片最大傳輸速率達(dá)２５ＭＢＰＳ。利用STM32Ｆ１０７內(nèi)部集成的ＭＡＣ控制器［１０］通過(guò)ＲＭＩＩ接口方式和ＤＰ８３８４８芯片相連即可，原理如圖６所示。

圖６以太網(wǎng)與STM32接口電路

２．６、輸入輸出接口

接口器提供了四路繼電器輸入和四路光耦隔離輸出，為了配合新增輔助設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)過(guò)程聯(lián)動(dòng)控制。輸入電路采用光電隔離芯片ＴＬＰ１８１，增加滯回電路、反向穩(wěn)壓管防抖動(dòng)等電路；輸出采用ＵＬＮ２００３接＋２４Ｖ繼電器，電路增加電容及反向二極管防抖動(dòng)和電流沖擊。該Ｉ／Ｏ的電路設(shè)計(jì)參考了世界品牌的ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ電路，可靠程度很高。

３、軟件設(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有采用嵌入式操作系統(tǒng)的移植，而采用單片機(jī)類Ｃ語(yǔ)言編程，因?yàn)樗哂泻?jiǎn)潔緊湊、靈活方便，容易掌握，用戶應(yīng)用廣泛，生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高和適用范圍大可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，故可編寫高可靠的功能函數(shù)。

４、測(cè)試結(jié)果

４．１、ＲＳ－２３２以及ＲＳ－４８５軟件仿真及測(cè)試

測(cè)試程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在２個(gè)串口之間的相互傳輸?，F(xiàn)在很多機(jī)電控制柜上的老式ＰＬＣ不具備大批量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢。利用接口器可以作一個(gè)過(guò)渡，把大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到處理器上，通過(guò)雙串口功能來(lái)解決這一難題。該測(cè)試的硬件連接如圖７所示，使用２個(gè)串口調(diào)試助手仿真軟件來(lái)接收不同串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，模擬軟件的仿真結(jié)果如圖８、圖９所示。

圖７ ?ＲＳ－２３２／４８５仿真及測(cè)試

?

測(cè)試的時(shí)候，利用串口１模擬數(shù)據(jù)接收端，串口２模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端，當(dāng)串口１接收到數(shù)據(jù)時(shí)，把接收到的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地通過(guò)串口２發(fā)送出去。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果分析可知，２個(gè)串口無(wú)論是哪個(gè)作為接收端或者發(fā)送端都能正確無(wú)誤的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無(wú)丟失。以此可以證明該處理器通過(guò)ＲＳ２３２／４８５輸出數(shù)據(jù)很可靠，另外該程序還完成了ＲＳ－２３２轉(zhuǎn)ＲＳ－４８５的功能，通過(guò)ＲＳ－４８５接口接收工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該ＲＳ－４８５接口實(shí)現(xiàn)了６４臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)控制的驗(yàn)證。

４．２、以太網(wǎng)程序的仿真及測(cè)試

該接口器使用的是STM32Ｆ微控制器和ＤＰ８３８４８芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的控制。該控制器內(nèi)部集成了ＭＡＣ控制模塊，該模塊符合ＩＥＥＥ８０２．３協(xié)議。并且ＳＴ公司提供了ＭＡＣ相關(guān)的一些驅(qū)動(dòng)程序，這就為我們的開(kāi)發(fā)提供了很大的方便。本程序使用了一個(gè)開(kāi)源的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧，該協(xié)議棧為我們提供了非常豐富的接口函數(shù)，移植完成以后我們可以直接使用這些接口函數(shù)來(lái)進(jìn)行編程。據(jù)此編寫了該通訊的功能軟件函數(shù)，實(shí)現(xiàn)ＵＤＰ協(xié)議傳輸和ＴＣＰ協(xié)議傳輸。測(cè)試硬件連接圖如圖１０所示，計(jì)算機(jī)和模塊同時(shí)連接到同一個(gè)路由器上。計(jì)算機(jī)設(shè)定一個(gè)固定ＩＰ地址，接口器網(wǎng)絡(luò)功能模塊也設(shè)定了一個(gè)固定的ＩＰ地址，把程序下載到模塊以后上電運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)模塊就可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信了。利用以太網(wǎng)調(diào)試助手來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該功能程序進(jìn)行調(diào)試，ＵＤＰ通信結(jié)果如圖１１所示，ＴＣＰ通信結(jié)果如圖１２所示。數(shù)據(jù)在反復(fù)通訊顯示，長(zhǎng)時(shí)間的烤機(jī)證明，網(wǎng)絡(luò)通訊效果也很好。

圖１０以太網(wǎng)通訊仿真及測(cè)試

５、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的小控制柜設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換接口器，通過(guò)該接口可實(shí)現(xiàn)條形碼的識(shí)別、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)裙δ?，可將原控制系統(tǒng)功能擴(kuò)大。微控制器STM32Ｆ１０７ＶＣＴ６是非常可靠的工業(yè)級(jí)芯片，配以可靠的功能芯片可構(gòu)成十分可靠的接口器。該數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換接口器可滿足一般工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求，現(xiàn)已初步在實(shí)際得到應(yīng)用。