基于STM32数据传输转换接口器的设计与实现

引言

在当今高速实时数字信号处理系统中，涉及的数据对象趋于多样化，这些数据通常采用不同的电气接口，具有不同的传输速率、传输方向。现代机电一体化控制设备中，如工业加注机、设备清洗机控制系统基本是ＰＬＣ与显示屏加仪表等构成的小型计算机控制系统。但现在工业已经进入了数字化、智能化时代，进入物联网领域，要求信息共享，生产过程信息化、网络化管理，提高生产效率，降低人员劳动强度。所以要满足上述需求，保留原有设备及控制系统，进行新老交替，则需要在原有控制柜基础上增加数据交换接口模块，如图１所示。基于此，我们以数字信号处理器STM32为核心，设计了适于多种标准接口数据传输接口器，以实现系统的数据交互。

图１具有数据传输交换接口器的控制系统框架

１、接口器原理

该接口器以STM32Ｆ微控制器为核心，配一ＲＳ－２３２电平转换芯片，ＲＳ－４８５转换芯片，以太网控制芯片，ＥＰ－ＰＲＯＭ存储芯片、ＳＤ卡以及时钟控制芯片来实现各种数据的转换以及存储。

系统主要分了５个部分：电源管理模块，实时时钟模块，大批量数据存储模块，标准数据转换接口模块和输入输出模块，如图２所示。

图２数据交换接口器原理框架

２、硬件设计

２．１、接口器控制核心

该接口器核心是ＳＴ系列的工业级单片机芯片STM32Ｆ１０７ＶＣＴ６。该芯片是ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的３２位微控制器，具有极强的抗干扰能力，宽电压２－３．５Ｖ使用范围，硬件集成了乘除算法，便于进行复杂的浮点运算，该芯片的升级版具有ＤＳＰ功能，运算能力强，速度快；可嵌入操作系统，其运算能力较工业控制机强的多。控制器外围电路选用２个外部晶体谐振器，频率分别是２５ＭＨｚ和３２．７６８ｋＨｚ。一个单独的２５ＭＨｚ晶体可以为整个系统和所有包括以太网和全速ＵＳＢＯＴＧ的外设提供时钟。一个单独３２．７６８ｋＨｚ的低速外部晶体谐振器为实时时钟或者其它定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。用户可以通过多个分频器来配置ＡＨＢ和ＡＰＢ，从而使得系统的各个外设都能获得合适的时钟。

２．２、电源管理模块

由于现在的工业现场所使用的设备一般都是２４Ｖ直流供电，该接口器采用了２４Ｖ直流供电。接口器的控制核心芯片电压为３．３Ｖ，所以为了满足要求，就必需要进行一系列的电压转换过程，从而满足各个功能模块的供电需求。

该接口器有继电器输出，为了防止数字信号受到模拟信号的干扰，选用ＬＭ２５９６－５．０芯片、ＤＣ－ＤＣ隔离开关电源模块１９Ｄ－０５Ｓ０５Ｒ、两片ＳＰＸ１１１７芯片。如图３所示，该电路输出两路３．３Ｖ电源，实现模拟地和数字地的隔离。１９Ｄ－０５Ｓ０５Ｒ隔离模块防浪涌、防电磁干扰、抑制尖峰电流设计。该电路十分稳定可靠，同时加二极管Ｄ１实现反向保护。

图３电源管理模块框架

２．３、大量数据存储模块

该接口器扩展１片容量为２５６Ｋ的ＡＴ２５２５６的ＥＥＰ－ＲＯＭ芯片。该芯片的擦写周期为１０００００次，数据保存时间大于２００年，应用稳定可靠。主要应用存放重要数据和参数。该芯片与STM32接口方式采用的是ＳＰＩ同步串行总线通信方式。为满足现场频繁储存的大量数据，该接口器设计一个标准的ＳＤ卡接口，如图４所示，最大可扩展到２ＧＢ，使用的ＳＤ卡是ＳＰＩ模式通信，从而达到数据的快速存储、实时记录以及供上位机通过ＲＳ２３２／ＲＳ４８５总线、以太网调用的目的。

图４ＳＤ卡与STM32接口电路

２．４、实时时钟模块

该接口器设计了一个实时时钟控制器，主要用于实时数据记录时的时间参考，同时也提供一个实时时钟，该系统采用的时钟芯片是ＲＸ８０２５。ＲＸ８０２５是爱普生（ＥＰ－ＳＯＮ）公司生产的一种采用Ｉ２Ｃ总线接口的实时时钟芯片，内置高精度可调整的３２．７６８ｋＨｚ的水晶振子，工作稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。同时它的功能非常完善，支持多达６种中断事件产生中断，可以启动２种闹铃功能，当芯片振动停止时可以实现自动检测，可以进行时钟精度调整以及电源电压监视功能。另外内部振荡回路是以固定电压驱动，因而可获得受电压变动影响小且稳定的３２．７６８ｋＨｚ时钟输出。如图５所示。

图５实时时钟电路

２．５、标准通讯接口

该接口器的核心功能模块便是数据转换接口，它包括４种接口，分别是标准ＲＳ－２３２接口，ＲＳ－４８５接口，标准ＲＪ－４５接口和标准ＭｉｎｉＵＳＢ２．０接口。这４种接口可谓是目前市场上各种终端设备使用最多的数据接口了。ＲＳ－２３２接口选用ＭＡＸ３２３２芯片进行电平匹配，ＲＳ－４８５选用ＳＰ３４８５芯片实现ＲＳ４８５协议。为实现通讯隔离，该接口电平全部采用高速ＡＤＵＭ１３１１磁耦隔离进行隔离，该隔离芯片最大传输速率达２５ＭＢＰＳ。利用STM32Ｆ１０７内部集成的ＭＡＣ控制器［１０］通过ＲＭＩＩ接口方式和ＤＰ８３８４８芯片相连即可，原理如图６所示。

图６以太网与STM32接口电路

２．６、输入输出接口

接口器提供了四路继电器输入和四路光耦隔离输出，为了配合新增辅助设备动作，实现过程联动控制。输入电路采用光电隔离芯片ＴＬＰ１８１，增加滞回电路、反向稳压管防抖动等电路；输出采用ＵＬＮ２００３接＋２４Ｖ继电器，电路增加电容及反向二极管防抖动和电流冲击。该Ｉ／Ｏ的电路设计参考了世界品牌的ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ电路，可靠程度很高。

３、软件设计

该软件设计没有采用嵌入式操作系统的移植，而采用单片机类Ｃ语言编程，因为它具有简洁紧凑、灵活方便，容易掌握，用户应用广泛，生成目标代码质量高和适用范围大可移植性强等特点，故可编写高可靠的功能函数。

４、测试结果

４．１、ＲＳ－２３２以及ＲＳ－４８５软件仿真及测试

测试程序主要实现数据在２个串口之间的相互传输。现在很多机电控制柜上的老式ＰＬＣ不具备大批量数据的存储能力，因此无法实现数据的查询。利用接口器可以作一个过渡，把大量数据存储到处理器上，通过双串口功能来解决这一难题。该测试的硬件连接如图７所示，使用２个串口调试助手仿真软件来接收不同串口发送的数据，模拟软件的仿真结果如图８、图９所示。

图７  ＲＳ－２３２／４８５仿真及测试

 

测试的时候，利用串口１模拟数据接收端，串口２模拟数据发送端，当串口１接收到数据时，把接收到的数据原封不动地通过串口２发送出去。经过长时间的测试结果分析可知，２个串口无论是哪个作为接收端或者发送端都能正确无误的接收和发送数据，数据无丢失。以此可以证明该处理器通过ＲＳ２３２／４８５输出数据很可靠，另外该程序还完成了ＲＳ－２３２转ＲＳ－４８５的功能，通过ＲＳ－４８５接口接收工业现场采集到的数据，然后再通过串口发送给计算机进行数据存储及分析，实现远程监控。该ＲＳ－４８５接口实现了６４台设备组网控制的验证。

４．２、以太网程序的仿真及测试

该接口器使用的是STM32Ｆ微控制器和ＤＰ８３８４８芯片来实现以太网的控制。该控制器内部集成了ＭＡＣ控制模块，该模块符合ＩＥＥＥ８０２．３协议。并且ＳＴ公司提供了ＭＡＣ相关的一些驱动程序，这就为我们的开发提供了很大的方便。本程序使用了一个开源的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，该协议栈为我们提供了非常丰富的接口函数，移植完成以后我们可以直接使用这些接口函数来进行编程。据此编写了该通讯的功能软件函数，实现ＵＤＰ协议传输和ＴＣＰ协议传输。测试硬件连接图如图１０所示，计算机和模块同时连接到同一个路由器上。计算机设定一个固定ＩＰ地址，接口器网络功能模块也设定了一个固定的ＩＰ地址，把程序下载到模块以后上电运行，网络模块就可以和计算机进行通信了。利用以太网调试助手来实现对该功能程序进行调试，ＵＤＰ通信结果如图１１所示，ＴＣＰ通信结果如图１２所示。数据在反复通讯显示，长时间的烤机证明，网络通讯效果也很好。

图１０以太网通讯仿真及测试

５、结束语

本文针对工业现场的小控制柜设计的数据传输转换接口器，通过该接口可实现条形码的识别、数据实时存储、数据无线传输等功能，可将原控制系统功能扩大。微控制器STM32Ｆ１０７ＶＣＴ６是非常可靠的工业级芯片，配以可靠的功能芯片可构成十分可靠的接口器。该数据传输转换接口器可满足一般工业控制系统数据传输要求，现已初步在实际得到应用。