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摘要：针对当前工业生产现场中通信系统的兼容性问题，设计了一种基于融合技术的嵌入式网关系统，选用STM32F207为核心控制器，移植了μCOS－III嵌入式操作系统，实现了CAN总线、以太网和LTE移动通信的融合通信，可以应用于各类工业控制现场，系统稳定性、可靠性、兼容性都有了很大的提高。
关键词：CAN总线，以太网，STM32，LTE，μCOS－III
随着工业现场控制系统自动化程度不断加深，工业生产现场的各种传感装置不断增多，控制复杂性增加，数据通信的容量需求不断提高，单一的通信模式不断遭受挑战，越来越无法满足系统扩容的需要，不能对工业现场进行有效的实时控制［1］。因此，如何满足各种现场控制环境，对工业生产过程的大数据进行有效、实时地监控，实现最大程度自动化水平成为当前工业现代化发展的一个瓶颈。目前针对于工业控制系统中的很多现场设备都采用CAN总线进行通信，网络节点负责采集现场的相关信息及进行相应的控制，上位机负责数据的存储和人机交互控制，现场的网络节点和上位机之间通过CAN总线交互数据，这种控制网络可以满足基本现场控制管理，但是随着对工业现场控制的要求提高及多媒体技术的发展，单一控制数据的通信模式正逐渐改变，如何兼容现有控制设备同时满足对大数据的需求是当前研究的热点。为此，本文提出了一种基于STM32的嵌入式融合通信网关系统。
1工业控制系统结构设计
本系统结构图如图1所示，系统由网关节点、子节点和控制平台等部分组成。网关节点采用双机冗余设计，保证了关键通信的稳定性，融合了多种通信方式，实现了CAN总线、以太网和移动网络的融合，提高了系统的可扩展性，主要完成对整个网络监控系统进行监控、数据处理、管理决策等；子节点位于车间现场，主要完成现场参数的检测、数据处理和执行，并将相应的数据实时传输给网关节点，同时接收并执行控制命令。节点之间通过CAN总线实现数据的交互，系统基于信息分级的FCS（Field-busControlSystem，FCS）分布式控制对现场进行管理。对采集的信息采用分级管理机制，信息分为三级：I级、II级和III级。I级为现场正常生产控制信息，例如定位传感器采集正常值信息、CCD图像信息、电机和气缸的正常运转信息，各子节点可以自行处理，网关节点不直接参与控制，由监控子节点直接进行处理；II级为异常信息处理，例如单位时间内不良产品信息超过容忍度了，需要控制中心进行处理，控制中心管理员根据现场的各种采集信息，综合分析，发出控制命令，与现场操作人员协调，远程管理现场；III级为紧急信息，主要是一些危及安全生产的信息，例如灾难性故障，在传输给总控制平台由值守管理员处理查找原因的同时，通过LTE通信传输给具有特殊权限用户的移动控制平台，以便能够实时掌握现场信息，及时进行支持，排查原因，最大程度地保障了系统的安全运行。对现场采集到的各种信息设置相应的等级，在传输和处理过程中保证了高优先级的重要信息的能实时安全传输，并及时处理。现场所有信息和处理结果都需要传递给控制平台进行备案保存，以便掌握现场的工作情况，为安全生产提供信息依据。对信息进行分级处理，各子节点具有较强的独立性，从而降低了系统的复杂性，提高了系统的开放性、可靠性、容错性。
2硬件系统设计
2．1网关节点系统设计
网关节点的设计是工业控制系统的关键节点，网关节点通过CAN总线对各子节点进行参数设置，子节点采集现场信息，通过CAN总线传递给网关节点，当生产现场出现问题时，通过液晶显示和声光报警提示值班人员，值班人员可以从控制平台详细了解各节点的信息，通过控制平台或者键盘给子节点发出控制命令。网关节点通过TCP／IP和LTE与控制平台进行通信，保证了现场的有效控制。网关节点电路主要包括CAN收发电路、以太网接口电路、LTE通信电路、键盘电路、LCD显示电路和声光报警电路等，网关节点硬件电路结构如图2所示。考虑到网关节点的数据处理能力要求较高，选用基于ARMCotex－M3核的32位处理器STM32F207VE，该芯片采用最新的90纳米工艺生产新一代的STM32产品，120MHz高速运行时可达到150DMIPS的处理能力，高达512k字节的片上闪存和128k字节的SRAM，自适应实时闪存加速器使得片内闪存上以120MHz的高速零等待地执行代码。芯片携带有1路10／100M以太网接口，2路CAN通道，6个UART接口；还含有ADC、DAC、USB、PWM等外设资源［2］。可以稳定地进行TCP／IP和CAN总线通信，同时也能保证嵌入式操作系统μCOS－III的运行。
2．2CAN通信驱动电路设计
控制器STM32F207VE内部都集成了功能强大的CAN控制器，CAN通信模块的设计仅需要设计微处理器与驱动器的接口电路。在本设计中，主控节点与子节点的采用相同的驱动电路，驱动器选用广州致远公司的芯片CTM1050T，CTM1050T芯片采用全灌封工艺，内部集成了电源隔离、电气隔离和CAN收发电路，隔离电压可达DC2500V，接口简单，使用方便，可以很好实现CAN－BUS总线上各节点电气、电源之间完全隔离和独立［3］。该模块TXD、RXD引脚与＋3．3V和＋5V的CAN控制器完全兼容，不需要外接其他元器件，相对于传统的设计方案，简化了DC－DC电源模块、光耦模块和ESD保护等电路，提高了节点的稳定性和安全性。CAN总线驱动电路如图3所示，CTM1050T的收发引脚与CAN控制器的收发引脚直接相连，终端RT1为120Ω，屏蔽电缆线的屏蔽线接FGND引脚，CGNND为收发器地，RC1及CR1为耐高压电阻、电容，具有滤波等作用。
2．3以太网通信模块的设计
在网关节点系统中设计了以太网通信模块，实现了数据的远程传输，扩展了通信的带宽，提升了通信的兼容性。STM32F207VE内部集成了专用DMA的MAC模块，为以太网通信提供MII或者RMII两种接口方式，PHY物理层控制芯片选用DP83848CW采用RMII规范，简化了硬件的电路设计，电路图的设计如图4所示，STM32的PB11与TX＿EN相连，使能发送引脚；PB12、PB13与TX＿D0、TXD＿1相连，发送数据；PD9、PD10与TX＿D0、TXD＿1相连，接收数据；X1为接收和发送数据提供时钟信号［4］。DP83848CW与网络变压器网口插座J0011D21BNL相连，实现TCP／IP数字信号的差分传输。
2．4移动通信模块设计
LTE移动通信模块以USR－LTE－7S4为核心，可以轻松实现与LTE网络的高速通信［5］。USR－LTE－7S4是一款体积小巧，功能丰富的M2M产品，可方便快速地集成于设计系统中，模块软件功能完善，能覆盖绝大多数常规应用场景，支持自定义注册包、心跳包功能，支持4路Socket连接，并支持透传云接入，具有高速率、低延时的特点。USR－LTE－7S4的UART＿TX、UART＿RX引脚分别与STM32的PC11和PC10相连，实现串口到LTE网络的双向数据透明传输。模块已集成SIM卡功能，设计时与SIM卡座对应引脚进行连线，SIM＿CLK、SIM＿RST、SIM＿D引脚分别并联47pF左右的电容，滤除射频信号的干扰。模块提供开关机RES和POW＿KEY引脚，控制STM32的开关机。通过LED状态显示模块工作状态。模块引出的指示灯引脚为LinkA、LED＿W、LED＿N，分别指示网路连接、模块工作和具体网络状态情况，引脚电平为1．8V，驱动指示灯需要做电平匹配，需要通过三极管来驱动指示灯。
3软件系统设计
软件系统的设计包括总控制平台和移动控制平台的上位机软件设计、主节点软件系统设计和监控子节点的软件系统设计。总控制平台基于C＃进行软件开发设计，移动控制平台基于E-clipseJava开发，选择开放源代码的安卓操作系统。子节点采用面向工作过程的前后台程序设计方法，保证子节点能实时控制工作现场。在这里主要介绍主节点系统的开发，主节点系统采用自顶向下的设计方法，考虑到系统的性能和实时性的要求，移植了嵌入式操作系统μCOS－III。μCOS－III是JeanJLabrosse先生编写的免费公开源代码的实时操作系统，是μCOS的第三代系统内核，被设计用于32位处理器，也能在16位或8位处理器中很好地工作，其实时性、稳定性、可靠性得到了广泛的认可，相对于μCOS－II，μCOS－III允许多个任务运行在同一优先级上，相同优先级的任务按时间片轮转调度，任务的数量不受限制［6］。在Keil4下对μCOS－III移植进行了移植，修改3个内核文件：os＿cpu．h、os＿cpu＿a．asm、os＿cpu＿c．c；3个CPU文件：cpu．h、cpu＿a．asm、cpu＿c．c。为了实现以太网通信的功能，移植了LwIP，编写相关的驱动程序。LwIP是瑞士计算机科学院（SCICS）的AdamDunkels等开发的用于嵌入式系统的开发源代码的TCP／IP协议栈，实现了ARP、IP、ICMP和TCP四个基本协议，适合与μCOS－III等嵌入式操作系统相配合使用［7］。对LwIP的移植，主要是修改与STM32、编译器、操作系统相关的文件，编写了IPReceive()和IPSend()两个驱动函数，完成了与底层硬件的数据交换，保证了IP数据的发送和接收。根据主节点具体的功能应用需求，考虑到任务的实时性和资源的利用率，划分十个任务：三个通信任务、三个监测任务、一个数据处理任务、一个存储任务、一个显示任务和一个初始化任务。三个通信任务分别为串口通信任务（负责LTE通信）、CAN通信任务和以太网通信任务，负责与上位机控制平台通信和监测子节点通信；三个检测任务分别为主节点定时监测任务、子节点定时监测任务和键盘监测任务，负责检测主节点、子节点的工作状态以及人机交互。数据存储任务负责对通信任务接收过来的数据进行解包处理、分类；存储任务负责在发送故障的情况，将数据存储在SD卡中；显示报警任务负责必要的显示和故障发生时的声光报警；系统初始化任务负责实现系统软硬件初始化工作、系统时钟配置以及其它配置、其它任务的创建和任务间通信使用的变量的定义及初始化。在内核启动后，该任务自动挂起，不再运行。系统通过消息队列、信号量对任务进行同步、互斥调度，协调各任务的运行，任务的调度关系如图6所示。
4结束语
这种融合通信方式保证综合控制系统的可靠性，在主节点中移植了嵌入式操作系统μCOS－III，为系统的可扩展性和稳定性提供了可靠的保证，为相关的工业现场控制提供了一种新的解决方案。
作者:凌启东 单位:徐州工业职业技术学院
