黃安貽，王愛華

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

0 引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，為提高工廠生產(chǎn)效率及監(jiān)控效率，通常需要為生產(chǎn)設備提供多個傳感器以保證數(shù)據(jù)獲取的準確性，其中以RS232、RS485、CAN總線為代表的串行通信在數(shù)據(jù)采集中應用較為廣泛，但串行通信傳輸距離短（傳輸距離不超過15 m）、實時性不高（波特率為9 600 bit/s）、抗干擾能力差，為生產(chǎn)設備的實時監(jiān)控及故障診斷帶來極大不確定性。以太網(wǎng)（Ethernet）以其通信距離遠、通信質(zhì)量穩(wěn)定、較強的自動糾錯能力等優(yōu)點逐步取代總線通信在數(shù)據(jù)獲取中地位[1]。本文選用STM32F103C8T6及ENC28J60實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元的設計[2]，以百兆以太網(wǎng)交換機為平臺提出數(shù)據(jù)采集單元的拓撲擴展方法，這對自動化產(chǎn)線海量數(shù)據(jù)的實時、同步、高效采集具有重要意義。

1 系統(tǒng)的總體設計

1.1 系統(tǒng)總體框架圖

本系統(tǒng)的工作原理為：遠程PC機通過網(wǎng)關單元與分布式數(shù)據(jù)采集單元進行數(shù)據(jù)通信，每個分布式數(shù)據(jù)采集單元有固定且唯一的MAC地址及IP地址，可將獲取的傳感器數(shù)據(jù)作為以太網(wǎng)協(xié)議的應用層數(shù)據(jù)，用網(wǎng)絡協(xié)議封裝傳輸至上位機；上位機發(fā)出的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包經(jīng)解析后通過串行通信的方式發(fā)出，從而實現(xiàn)傳感器節(jié)點與上位機之間實時的數(shù)據(jù)通信。由圖1可知，本系統(tǒng)由兩個部分組成，分別如下。

圖1 分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結構示意圖

（1）分布式數(shù)據(jù)采集單元：該單元由主控制器STM32F103C8T6、以太網(wǎng)芯片ENC28J60、RJ45及網(wǎng)絡變壓器構成的HR911105A以太網(wǎng)接口模塊、AMS1117線性穩(wěn)壓模塊組成。每個分布式數(shù)據(jù)采集單元引出三個獨立的異步串行通訊接口USART作為傳感器接入節(jié)點，數(shù)據(jù)采集單元獲取傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)[3]，經(jīng)以太網(wǎng)模塊處理后通過網(wǎng)關單元上傳至上位機。

（2）可擴展網(wǎng)關單元：該單元由多個百兆以太網(wǎng)交換機組成，形成可擴展的星型拓撲網(wǎng)絡結構，將多個數(shù)據(jù)采集單元通過以太網(wǎng)連入網(wǎng)關，解決傳感器節(jié)點受限等問題。

1.2 數(shù)據(jù)采集單元

1.2.1 MCU

本系統(tǒng)選用32位的STM32F103C8T6為數(shù)據(jù)采集單元的主控制器，該處理器采用Corte-M3架構，具有很多包括更高的代碼速度、更強的操作性能、低成本、低功耗等優(yōu)點。主控制器芯片采用貼片式48引腳的LQFP封裝，最高工作頻率可達72 MHz，工作溫度為-45℃～+85℃。出色的性能及豐富的外設資源（包括UART、USART、RS232、SPI、IIC等）使得硬件設計大大簡化，該處理器的執(zhí)行速度及內(nèi)存完全滿足數(shù)據(jù)采集單元實時性、穩(wěn)定性的要求。為減小數(shù)據(jù)采集單元的體積，文中僅引出最小系統(tǒng)、異步串行通訊USART接口、SWD下載接口及SPI接口等，STM32F103C8T6的引腳圖如圖2所示。

圖3 ENC28J60與HR911105A連接原理圖

1.2.2 網(wǎng)絡模塊

以太網(wǎng)網(wǎng)絡芯片選用符合IEEE 802.3協(xié)議、28獨立引腳的ENC28J60以太網(wǎng)控制器，該控制器可作為任何帶有SPI控制器的以太網(wǎng)控制芯片，是目前市面上性價比最高、體積最小的嵌入式以太網(wǎng)解決方案。ENC28J60主要優(yōu)點有：（1）支持全雙工、半雙工模式；（2）內(nèi)部集成10BASE-T的MAC及PHY控制器；（3）數(shù)據(jù)沖突時支持自動重發(fā)；（4）SPI速度可達10 Mb/s；（5）支持DMA，實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換及IP校驗[4]。

圖3為ENC28J60與HR911105A連接示意圖，根據(jù)ENC28J60工作性能要求，需在23引腳(OSC1)、24引腳（OSC2）兩端連接25 MHz的平行切割晶振及20 pF的接地電容；為使ENC28J60工作穩(wěn)定，在其內(nèi)部集成了2.5 V穩(wěn)壓器并在VCAP與GND之間外接10μF電容，但內(nèi)部穩(wěn)壓器無法帶動外部負載，需外接3.3 V電源；ENC28J60的差分發(fā)送及差分接收引腳、LEDA/LEDB分別與集成以太網(wǎng)變壓器RJ45的HR911105A對應引腳相連。其中，差分發(fā)送引腳外接一個帶有中心抽頭的1∶1變壓器并接入51Ω電阻以防靜電干擾[5]。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元結構示意框圖

圖4 為數(shù)據(jù)采集單元結構示意框圖，從中可明顯得知主控制器與以太網(wǎng)芯片的連接關系為：ENC28J60與主控制器STM32通過兩個中斷引腳、串行外設接口（SPI） 實現(xiàn)通信，由于ENC28J60的工作電壓為3.14～3.45 V，TTL輸入，因此兩者可以直接連接；STM32的14、15、16、17引腳分別復用為SPI_CS（從設備選擇）、SPI_SCK（串口時鐘）、SPI_MISO（主入從出）、SPI_MOSI（主出從入），這四個引腳分別與ENC28J60的CS、SCK、SI、SO相連，其中CS為低電平時，允許數(shù)據(jù)傳輸，被置高時完成相應操作；SPI_SCK為ENC28J60提供所需工作時序，時鐘引腳SPI_SCK為上升沿時，數(shù)據(jù)或命令通過SI引腳輸入ENC28J60，為下降沿時，數(shù)據(jù)或命令從SO引腳輸出至STM32，傳輸速率高達10 Mb/s。

1.2.3 電源電路設計

圖5 系統(tǒng)電源電路原理圖

數(shù)據(jù)采集單元接入5 V電源，經(jīng)濾波穩(wěn)壓之后輸出標準的3.3 V電壓為STM32及ENC28J60以太網(wǎng)芯片供電。電路中選用AMS1117作為穩(wěn)壓芯片，對電路進行穩(wěn)壓，使其輸出恒定的直流電壓。AMS1117固定輸出電壓有3.0 V，3.3 V和5.0 V，具有1%的精度。為防止環(huán)境溫度對硬件電路的破壞，穩(wěn)壓芯片內(nèi)部集成了過熱保護和限流電路。根據(jù)硬件電路要求，穩(wěn)壓芯片選擇SOP-223封裝的AMS1117-3.3。圖5為系統(tǒng)電源電路原理圖，1號引腳接地，2號引腳為輸出電壓（3.3 V），3號引腳為輸入電壓（5 V）。C1、C2為輸入電容，有以下作用：（1）交流電壓整流輸入；（2）單向脈動電壓轉化成直流電壓；（3）防止斷電后電壓倒置；（4）抑制干擾。C3、C4為輸出電容，有濾波及抑制自激振蕩等作用，若輸出端不接濾波電容，則線性穩(wěn)壓器輸出的是不穩(wěn)定的振蕩波形。

2 網(wǎng)關單元

可擴展網(wǎng)關單元采用百兆以太網(wǎng)交換機成星型拓撲結構連接，如圖6所示，網(wǎng)關單元可擴展，管理方便，組網(wǎng)容易，單一節(jié)點出現(xiàn)故障不會干擾其他節(jié)點工作，便于故障排查。該網(wǎng)關單元的擴展性可保證分布式數(shù)據(jù)采集單元及傳感器節(jié)點的無限接入，解決了多傳感器接入節(jié)點受限的問題，方便多傳感器海量數(shù)據(jù)采集。

圖6 可擴展網(wǎng)關單元連接示意圖

3 軟件設計

構建分布式數(shù)據(jù)采集單元模塊除了對以太網(wǎng)控制器及以太網(wǎng)變壓器進行硬件設計之外，還需對數(shù)據(jù)采集單元進行軟件程序設計。對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)及指令傳輸過程可解釋為以下過程：對即將發(fā)送的串口數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)幀格式進行封裝以傳輸至上位機；對以太網(wǎng)控制器接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解包供串行設備使用。本文使用Keil μVision5對軟件功能的實現(xiàn)進行程序編寫（流程圖見圖7），具體流程如下。

（1）初始化：在使用ENC28J60收發(fā)數(shù)據(jù)或指令時，必須初始化以太網(wǎng)芯片ENC28J60及STM32F103C8T6定時器并設置TCP及ARP的超時時間。ENC28J60初始化主要對收發(fā)緩沖器、晶振起振時間、主要狀態(tài)寄存器（包括EIE、EIR、ESTAT、ECON2、ECON1等）進行設置；關閉STM32中斷輸入并保持復位引腳處于低電平復位狀態(tài)，若以太網(wǎng)時鐘啟動標志位置位，則開中斷；設置上位機及分布式數(shù)據(jù)采集單元的IP地址、網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼等。這里設置上位機的IP地址為169.254.226.30，網(wǎng)關為169.254.226.1、子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0；分布式數(shù)據(jù)采集單元的MAC地址為0x11，0x22，0x33，0x44，0x55，IP地址為169.254.226.123，分布式數(shù)據(jù)采集單元IP地址必須與上位機IP地址在同一個局域網(wǎng)下。

（2）主循環(huán)：查詢ENC28J60網(wǎng)絡芯片是否有數(shù)據(jù)包收到，若有IP數(shù)據(jù)包收到且為本機MAC地址，則對IP數(shù)據(jù)包解包處理，UDP連接成功之后調(diào)用應用程序接口函數(shù)UIP_APPCALL()發(fā)送數(shù)據(jù)；若檢測到網(wǎng)絡芯片接收到的數(shù)據(jù)為ARP包或當前有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則按照以太網(wǎng)幀格式打包數(shù)據(jù)并由物理網(wǎng)卡將包送出。

圖7 程序流程圖

4 實驗驗證與結果分析

將數(shù)據(jù)采集單元及上位機分別與百兆以太網(wǎng)交換機連接，在上位機的指令終端中輸入指令ping 169.254.226.123，實驗結果如圖8所示，上位機向目標數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送了四個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)采集單元也全部接收，說明所設計的數(shù)據(jù)采集單元與上位機互ping成功，數(shù)據(jù)可正常收發(fā)。

圖8 上位機與單片機互ping實驗

通過socket tool軟件對分布式多傳感器數(shù)據(jù)采集單元的穩(wěn)定性及實時性進行實驗驗證，并對采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析。為驗證分布式數(shù)據(jù)采集單元的穩(wěn)定性及實用性，使用兩組該模塊單元對四個超聲波傳感器進行數(shù)據(jù)采集并在采樣數(shù)據(jù)之前設置41 41、42 42標志位對多超聲波傳感器加以區(qū)分。超聲波傳感器通信波特率為9 600 bit/s，通信協(xié)議格式為0xFF、高八位（DATA_H）、低八位（DA?TA_L）、數(shù)據(jù)校驗位(SUM)，數(shù)據(jù)驗證規(guī)則為SUM=（0xFF+DATA_H+DATA_L）&0x0F。TCP Server為TCP服務端，169.254.226.30即為上位機IP地址；TCP Client為TCP的客戶端，169.254.226.123、169.254.226.163分別為兩個傳感器數(shù)據(jù)采集單元的IP地址。通過IP地址可分辨各個數(shù)據(jù)采集單元，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫毩⑿?；超聲波傳感器的?shù)據(jù)準確無誤，驗證了該數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及實時性。由此可看出，分布式數(shù)據(jù)采集單元強大的實時性及較低的丟包率是普通串行通信不能比擬的。因此，分布式數(shù)據(jù)采集單元具有采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定、丟包率低且實時性較好等優(yōu)點，可用于多傳感器海量數(shù)據(jù)的實時采集與故障監(jiān)控。

5 結論

通過對本系統(tǒng)的研究表明：以ENC28J60以太網(wǎng)芯片設計的數(shù)據(jù)采集單元具有體積小、實時性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可保證數(shù)據(jù)高效、穩(wěn)定透傳；多數(shù)據(jù)采集單元的分布式分布，便于數(shù)據(jù)采集通道的擴充，同時也可解決串行設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置分散、資源浪費、插接不便等問題；各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)可獨立自主處理，數(shù)據(jù)信號不相互串擾，便于故障的排查及替換；多機并行的工作方式使得單個單片機僅完成有限工作即可，對底層硬件要求不高并能構建高性能的系統(tǒng)。另外，本文提供一種傳感器節(jié)點可擴展的以太網(wǎng)網(wǎng)關解決方案，解決現(xiàn)階段中數(shù)據(jù)采集通道受限的問題，為海量數(shù)據(jù)的多通道采集提供解決思路。