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(陸軍裝甲兵學(xué)院 信息通信系，北京 100072)

引 言

隨著工業(yè)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。Modbus協(xié)議作為一種能夠有效控制實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以其運(yùn)行穩(wěn)定且實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中。企業(yè)信息化進(jìn)程的不斷發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)上層管理網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接提出了更高的要求。在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化通信模式已發(fā)展成為一種趨勢(shì)，工業(yè)通信技術(shù)正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展。特別是近幾年來，短程無線通信技術(shù)的崛起，使其也逐步滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域。

如何將現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與以太網(wǎng)互聯(lián)，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于Modbus協(xié)議的工業(yè)有線/無線混合網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟硬件以完成Modbus協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了Modbus協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)和以太網(wǎng)之間的互聯(lián)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議是屬于應(yīng)用層的通信協(xié)議，它與物理層的設(shè)備和電器接口無關(guān)，既支持傳統(tǒng)的RS232/RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，也支持以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。所以根據(jù)物理層網(wǎng)絡(luò)的不同，Modbus協(xié)議被分成串行鏈路版本和運(yùn)行在以太網(wǎng)的Modbus/TCP版本。

網(wǎng)關(guān)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，在采用不同體系結(jié)構(gòu)或協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互通時(shí)，提供協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交換等網(wǎng)絡(luò)兼容功能的設(shè)施。在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)的主要功能是將串行鏈路版的Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)連接起來。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)以STM32F107作為主控制器芯片，其上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread，負(fù)責(zé)對(duì)各任務(wù)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，其上加載的LwIP協(xié)議棧完成以太網(wǎng)通信相關(guān)任務(wù)。對(duì)外根據(jù)具體總線的類型選擇收發(fā)芯片，采用物理層收發(fā)芯片結(jié)合RJ-45接口和WiFi芯片完成以太網(wǎng)有線和無線的通信任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制芯片STM32F107VCT6作為核心處理器。該芯片是一款互聯(lián)型微控制器，性價(jià)比高，內(nèi)核、系統(tǒng)和存儲(chǔ)器體積小；其工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(256 KB的閃存和64 KB的SRAM)，具備豐富的I/O接口及外設(shè)資源。該芯片的運(yùn)行速度可滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性多任務(wù)需求，豐富的對(duì)外通信接口可滿足多種應(yīng)用場(chǎng)合的需求?？傮w設(shè)計(jì)包括基本的核心控制芯片級(jí)周邊外設(shè)、電源模塊、各通信接口、燒錄和調(diào)試程序的JTAG接口；FLASH模塊主要保存各種需掉電保存的參數(shù)配置信息；RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊主要在掉電時(shí)利用鋰電池供電，保持時(shí)鐘與其他系統(tǒng)同步。

2.2 STM32F107VCT6核心控制芯片電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心控制芯片STM32F107VCT6芯片為L(zhǎng)QFP100封裝，根據(jù)芯片手冊(cè)，采用25 MHz溫補(bǔ)晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘源，采用32 768 kHz晶振作為外部低速時(shí)鐘源，啟動(dòng)方式配置為上電直接從內(nèi)部啟動(dòng)運(yùn)行(BOOT0引腳下拉接地)，采用多種濾波電容把交流噪聲旁路到地，起到穩(wěn)定電壓的作用，在PCB布板時(shí)需要把電容放置在距離芯片電源引腳盡可能近的地方，以達(dá)到更好的濾波效果。該芯片核心工作電壓為+3.3 V，由電源電路提供。程序的燒錄和調(diào)試采用了JTAG模式中的SWJ-DP模式。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊采用德州儀器的LM2596電源轉(zhuǎn)換芯片將+12 V電壓轉(zhuǎn)換為+5 V。電路設(shè)計(jì)中加入了保險(xiǎn)絲、瞬態(tài)抑制二極管等元件對(duì)后端電路進(jìn)行保護(hù)，防止接反短路。采用了電容、電感等降低電源電路的紋波噪聲，其設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)中所需要的+3.3 V電壓采用電壓轉(zhuǎn)換芯片ASM1117獲得，該芯片由LM2596產(chǎn)生的+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V，并在周邊加上各濾波電路，減少噪聲干擾。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)圖

2.4 有線以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

STM32F107系列微控制器內(nèi)部集成了高性能的以太網(wǎng)模塊，提供支持IEEE-802.3-2002的介質(zhì)訪問控制器用于以太網(wǎng)通信，支持10 Mb/s和100 Mb/s兩種速率。該控制器內(nèi)部集成兩個(gè)介質(zhì)無關(guān)接口，分別是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)無關(guān)接口(MII-有17路信號(hào)線，時(shí)鐘為25 MHz)和精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口(RMII-9路信號(hào)線，時(shí)鐘為50 MHz)。

STM32F107需要一個(gè)外接物理接口設(shè)備(PHY)連接介質(zhì)無關(guān)端口與物理局域網(wǎng)總線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的功能。本設(shè)計(jì)選用的以太網(wǎng)物理層接口收發(fā)控制器是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DP83848CVV單端物理層(PHY)芯片。該芯片能耗低、單路高速、魯棒性好、功能全，具有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，支持MII(介質(zhì)無關(guān)接口)和RMII(精簡(jiǎn)介質(zhì)無關(guān)接口)，還支持10BASE-TX和100BASE-TX的以太網(wǎng)外設(shè)，可以兼容其他標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)解決方案，通用性高，這樣可以使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單靈活。

DP83848芯片配合RMII精簡(jiǎn)標(biāo)準(zhǔn)接口提供的連接方案，能夠減少M(fèi)AC與PHY接口的引腳數(shù)，使設(shè)計(jì)者在保持IEEE802.3規(guī)范所有特性的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本，因此該芯片能夠很好地滿足工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化，以及通用嵌入式系統(tǒng)的要求。正是因?yàn)槿绱?，該芯片也是STM32系列互聯(lián)型控制器的推薦芯片型號(hào)，該接口芯片與微控制器連接設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 DP83848與微控制器連接設(shè)計(jì)圖

本設(shè)計(jì)選擇與網(wǎng)絡(luò)芯片連接的RJ45接口器件是集隔離變壓器于一體的連接座HR91105，連接座器件帶有黃綠指示燈，其連接關(guān)系設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.5 無線以太網(wǎng)WiFi接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ESP8266作為提供無線以太網(wǎng)連接的接口芯片。ESP8266包含Tensilica L106超低功耗、32位精簡(jiǎn)模式的CPU，主頻為80 MHz，內(nèi)置50 KB SRAM高速緩存，16 MB ROM(外擴(kuò)FLASH芯片)，支持ADC/PWM，可支持UART、SDIO、SPI、I2C等多種總線傳輸模式，支持802.11b/g/n協(xié)議，發(fā)射頻率范圍為2.4～2.5 GHz，最大發(fā)射功率可達(dá)+20 dBm。

圖5 RJ45端口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中ESP8266芯片通過USART串行接口與STM32F107進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)交互，通過SPI總線與FLASH芯片(W25Q80)完成通信， FLASH芯片可保存一些參數(shù)配置信息。采用26 MHz高精度溫補(bǔ)晶振為其提供時(shí)鐘源，其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。其中ESP8266的天線采用了SMA底座、阻抗匹配為50 Ω的外置射頻天線，在PCB布板時(shí)，要注意芯片ANT引腳到射頻底座之間的走線，要盡可能短，如有拐彎的需要，要盡量設(shè)計(jì)成大于90°的弧形走線，以降低功率衰減，獲得更好的無線通信質(zhì)量。

圖6 無線WiFi接口電路設(shè)計(jì)

2.6 串行接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的串行接口主要是RS-232接口和RS-485接口。設(shè)計(jì)中采用MAX3232作為RS-232接口電路的電平轉(zhuǎn)換芯片。該芯片與STM32F107的串口1和串口4相連，將TTL電平轉(zhuǎn)換為符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平，實(shí)現(xiàn)和其他串行接口設(shè)備的通信。

采用ADM2483完成STM32的串口TTL電平和RS-485差分電平之間的轉(zhuǎn)換。由于485總線采用單工通信方式，在此單獨(dú)使用STM32的一根引腳對(duì)ADM2483的收發(fā)進(jìn)行切換控制。

2.7 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

CAN總線作為目前較為流行的控制器局域網(wǎng)，廣泛應(yīng)用在多種行業(yè)。本設(shè)計(jì)考慮該網(wǎng)關(guān)的未來功能擴(kuò)展，在此將STM32F107的CAN總線控制功能也設(shè)計(jì)出來，作為預(yù)留接口。STM32F107內(nèi)部包括兩個(gè)CAN控制器，分別連接兩個(gè)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能。CAN收發(fā)器是CAN控制器和物理總線之間的接口，為CAN控制器提供差分接收、發(fā)送功能，本設(shè)計(jì)選用TJA1050作為CAN收發(fā)器，其設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

圖7 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)大多對(duì)實(shí)時(shí)性有較高的要求，本設(shè)計(jì)在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread完成對(duì)各項(xiàng)任務(wù)的調(diào)度。該系統(tǒng)運(yùn)行于STM32F107核心控制芯片上。在此對(duì)其移植過程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，RT-Thread是一款國(guó)產(chǎn)的嵌入式開源RTOS，支持NXP、ST等多家公司的ARM架構(gòu)芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 RT-Thread結(jié)構(gòu)框圖

在具體硬件平臺(tái)和板級(jí)支持包(BSP)基礎(chǔ)之上，RT-Thread構(gòu)建了一個(gè)內(nèi)核對(duì)象管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過它對(duì)內(nèi)核對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一管理，這些對(duì)象包括線程、內(nèi)存塊、信號(hào)量、互斥量等。RT-Thread的外圍組件包括RT-GUI、文件系統(tǒng)、Shell和LwIP。其中，LwIP(Light Weight IP,輕量化IP協(xié)議)是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，它實(shí)現(xiàn)了完整的TCP/IP協(xié)議，但是占用資源較少。RT-Thread將其作為默認(rèn)的TCP/IP協(xié)議棧，并進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，可以供用戶直接使用，是完成本設(shè)計(jì)中Modbus協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的重要組成部分。Finish Shell是RT-Thread提供的一個(gè)很方便的應(yīng)用，主要用來調(diào)試、查看系統(tǒng)信息。

3.1 RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植

為了讓RT-Thread能夠在STM32F107核心控制芯片上正常運(yùn)行，必須進(jìn)行移植。RT-Thread支持多種開發(fā)環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用Keil MDK4。首先在RT-Thread的官網(wǎng)根據(jù)實(shí)際的硬件開發(fā)平臺(tái)下載對(duì)應(yīng)的版本，本設(shè)計(jì)使用RT-Thread2.0.0穩(wěn)定版，其BSP(板級(jí)支持包)含有所支持的各平臺(tái)的移植代碼(根據(jù)實(shí)際情況可將其他無關(guān)平臺(tái)的內(nèi)容刪除)，內(nèi)部包含有兩個(gè)匯編文件：一個(gè)是系統(tǒng)啟動(dòng)初始化文件，另一個(gè)是線程進(jìn)行上下文切換的文件，其他都是C 源文件。在移植時(shí)，選好開發(fā)平臺(tái)后僅需修改rtconfig.h 文件使能本設(shè)計(jì)中要使用到的組件LwIP和Finish Shell (其他組件可根據(jù)需要配置) 。

3.2 RT-Thread初始化

MDK的用戶程序入口是main()函數(shù)，main()函數(shù)調(diào)用rt_thread_startup()函數(shù)(RT-Thread多平臺(tái)下的統(tǒng)一入口點(diǎn))，函數(shù)中包含了RT-Thread操作系統(tǒng)的啟動(dòng)流程：初始化系統(tǒng)相關(guān)的硬件，初始化定時(shí)器、調(diào)度器等系統(tǒng)組件，初始化系統(tǒng)設(shè)備，初始化各個(gè)應(yīng)用線程并啟動(dòng)調(diào)度器。其中用戶代碼入口位置是rt_application_init()，在這個(gè)函數(shù)中可以初始化用戶應(yīng)用程序的線程，當(dāng)打開調(diào)度器后，用戶線程也將得到執(zhí)行。在本設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)硬件平臺(tái)具體使用、連接關(guān)系，初始化用到的全部外設(shè)通信接口和工作狀態(tài)指示燈。

3.3 LwIP協(xié)議棧的初始化及應(yīng)用

LwIP由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模塊(IP、ICMP、TCP、UDP)、操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內(nèi)存管理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)和API接口函數(shù)等獨(dú)立模塊組成。本設(shè)計(jì)中采用TCP協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，利用LwIP提供的輕型BSD Socket API接口函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，其中為大量已有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供了兼容接口。

結(jié) 語