蔣成清 王曉宇

【摘要】工業(yè)現(xiàn)場上經(jīng)常需要監(jiān)控現(xiàn)場的工作環(huán)境和設(shè)備的運行狀態(tài)，所以需要對現(xiàn)場的溫度、濕度和設(shè)備的電壓、電流等參數(shù)進行采集，并傳送給上位機監(jiān)測。本文提出了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和實施方案，采用STM32作為微處理器，標(biāo)準(zhǔn)DeviceNet協(xié)議作為通信規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集;STM32;DeviceNet協(xié)議;DN1022

1.引言

隨著我國工業(yè)化水平不斷提高，工業(yè)現(xiàn)場需要監(jiān)控現(xiàn)場的工作環(huán)境和設(shè)備的運行狀況，包括測量現(xiàn)場的溫度、濕度和設(shè)備的電壓、電流等參數(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集多采用變送器，但是，變送器采集的數(shù)據(jù)采用模擬量傳輸，抗干擾能力較差，并且采集數(shù)據(jù)單一，不能完成多參數(shù)采集，不易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。如何提高采集數(shù)據(jù)抗干擾能力，并且完成多參數(shù)采集等問題有待完善。本設(shè)計采用stm32作為CPU，DeviceNet作為通信協(xié)議，接收并處理DeviceNet主站下達的查詢命令，組織相應(yīng)數(shù)據(jù)上報給DeviceNet主站，有多路的輸入和多路的輸出。

2.總體設(shè)計方案

從功能上講，本設(shè)計可以分為兩大部分：即工業(yè)現(xiàn)場信號采集電路和工業(yè)現(xiàn)場控制電路。其中工業(yè)現(xiàn)場信號采集電路完成對數(shù)字信號的采集，再由stm32對數(shù)據(jù)進行處理，通過標(biāo)準(zhǔn)的DeviceNet協(xié)議與DeviceNet主站通信。工業(yè)現(xiàn)場控制電路接收并處理DeviceNet主站下達的控制命令，組織相應(yīng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的方框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)了開關(guān)量的實時采集功能。微處理器STM32f103R8的I/O口可以配置為開關(guān)量輸入端口，開關(guān)量輸入信號由I端輸入，通過光電耦合器PC817與微處理器I/O口相連。微處理器對輸入端進行狀態(tài)查詢，讀取狀態(tài)信息。光電耦合器PC817在作用是實現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)量與微處理器間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。

2.2 協(xié)議芯片接口電路

DN1022芯片具有內(nèi)置的CAN口和DeviceNet處理引擎，內(nèi)置DeviceNet Group 2 Only Slave從站協(xié)議棧，具有高速串行口和配置口。微處理器可通過串口和DN1022通信。其集成度高、封裝簡單，滿足一般的DeviceNet從節(jié)點功能要求。

（1）工作狀態(tài)配置。DN1022芯片初始化時會檢測配置口線CFG1的狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)的不同，決定芯片的工作狀態(tài)。如果CFG1=0，芯片處于配置狀態(tài);CFG1=1，芯片處于工作狀態(tài)。

（2）I/O數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。DN1022內(nèi)部有一個I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，DeviceNet主站與DN1022之間的數(shù)據(jù)交互是異步進行的。

在工作狀態(tài)，stm32可以與DN1022進行I/O數(shù)據(jù)交換及參數(shù)讀寫。如圖3，DN1022芯片的RXD、TXD為串行口信號接收和發(fā)送引腳，分別接用戶的處理器的TXD及RXD。高速串口最高波特率可達115.2Kbps，可以滿足與DeviceNet相匹配的速度。

圖2 DN1022接口電路

2.3 輸出控制電路

當(dāng)接收到DeviceNet主站發(fā)送的命令時，微處理器stm32對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)主站要求指示相應(yīng)的繼電器閉合，三極管飽和導(dǎo)通，相應(yīng)指示燈亮，實現(xiàn)了對開關(guān)量的控制。光電耦合器PC817實現(xiàn)電氣隔離作用。

圖3 輸出控制電路

2.4 撥碼開關(guān)電路

撥碼開關(guān)電路分為從站地址的選擇和波特率的選擇兩種，并且要求在配置狀態(tài)下才能設(shè)置。從站地址的選擇通過撥碼開關(guān)中的前六位A1—A6設(shè)置從站地址，采用8421BCD編碼規(guī)則配置從站地址，設(shè)置范圍0-63。波特率的選擇有125Kbps、250Kbps、500 Kbps和自動波特率設(shè)置4種可選。通過撥碼開關(guān)中的后兩位A7和A8選擇波特率，采用8421BCD編碼規(guī)則配置波特率。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計由C語言編程實現(xiàn)，完成對工業(yè)現(xiàn)場信號進行采集，組織相應(yīng)數(shù)據(jù)通過DeviceNet協(xié)議傳給主站;并且接收處理DeviceNet主站發(fā)出的命令，控制對輸出繼電器做出閉合或釋放動作，以實現(xiàn)開關(guān)量信號的輸出。本設(shè)計中采用Keil uVision4為開發(fā)平臺，編寫了主程序，數(shù)據(jù)采集及處理程序，串口通信程序。上電后，CPU首先對DN1022進行配置，需要配置的參數(shù)有地址、波特率、Network Input連接長度等。然后進行I/O數(shù)據(jù)交換。DeviceNet主站與DN1022之間的數(shù)據(jù)交互是異步進行的。

表1 DN1022命令表

命令號 命令功能

0x1 設(shè)定身份識別信息（配置狀態(tài)）

0x2 設(shè)定連接信息（配置狀態(tài)）

0x5 I/O數(shù)據(jù)傳輸（運行狀態(tài)）

0x6 I/O數(shù)據(jù)傳輸，并讀取Device Net網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（運行狀態(tài)）

0xE 讀取參數(shù)（運行狀態(tài)）

0x10 設(shè)置參數(shù)（運行狀態(tài)）

0x20 設(shè)定參數(shù)信息參數(shù)（配置狀態(tài)）

表1為協(xié)議芯片DN1022的命令表，本設(shè)計使用了1號、2號以及5號命令。1號命令是配置命令，包含設(shè)備號，設(shè)備許可號，版本號，產(chǎn)品名稱等。當(dāng)發(fā)送完一幀命令后，DN1022返回一個響應(yīng)幀，0x81是正確響應(yīng)幀，0xE0和0x2是錯誤響應(yīng)幀。2號命令是配置命令，包括地址、波特率、輸入及輸出長度。地址和波特率是通過撥碼開關(guān)讀取的，由于輸入和輸出為4組，所以設(shè)置為各1個字節(jié)。正確響應(yīng)幀為0x82，0x01和0xff是錯誤響應(yīng)幀。5號命令為運行命令，完成DN1022與stm32之間的數(shù)據(jù)通信，正確響應(yīng)幀為0x85。圖6為整個系統(tǒng)設(shè)計的軟件流程圖。

圖4 軟件流程圖

4.結(jié)論

本設(shè)計采用stm32作為CPU，對工業(yè)現(xiàn)場信號進行多路采集，采集的信息同時性好，通過devicenet協(xié)議與PLC實時通信，傳輸數(shù)據(jù)的實時性與可靠性顯著提高，完全能滿足整個系統(tǒng)的運行，通用性好，具有較好的應(yīng)用價值和市場前景。

參考文獻

[1]張旭，亓學(xué)廣.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2010，11：90-92.

[2]DN1022使用手冊[S].上海泗博自動化技術(shù)有限公司，2013.

[3]張戟，程旻，謝劍英.基于現(xiàn)場總線DeviceNet的智能設(shè)備開發(fā)指南，2004.

[4]韓芝俠，淡濤.熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用[J].陜西工學(xué)院學(xué)報，2003（3）：148-150.

[5]程曉輝，董愛華，舒國汀，方建安.I/O模塊的DeviceNet接口設(shè)計[J].東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005（02）.

作者簡介：蔣成清（1993—），安徽宿州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于遼寧科技大學(xué)。

通訊作者：王曉宇（1978—），遼寧鞍山人，碩士，講師，主要研究方向：信號與系統(tǒng)。