基于STM32F107嵌入式控制器的工業(yè)以太網(wǎng)接口設(shè)計

陳基偉，項軍偉，張 耀

（1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310053；2.浙江百納橡塑設(shè)備有限公司，浙江 仙居 317300）

0 引言

當今社會，采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，以其高的通信效率和高的通信可靠性，實現(xiàn)了設(shè)備間的互聯(lián)，使成千上萬的人同時在互聯(lián)網(wǎng)交流，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)遍及全球。結(jié)合工業(yè)的需求推出的工業(yè)以太網(wǎng)，同樣促進了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)上的終端設(shè)備通過組網(wǎng)，可以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息的傳輸控制，也可以與互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備間的互聯(lián)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已成為當前工業(yè)控制的一個熱點[1]。在常見工業(yè)應(yīng)用組網(wǎng)方式中，基于串口協(xié)議如RS-485、RS232開發(fā)的設(shè)備，在物理接口與協(xié)議與以太網(wǎng)無縫兼容，需要通過專用嵌入式網(wǎng)關(guān)才能接入以太網(wǎng)。基于專用、封閉型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，雖具備效率高的特點，但其網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是由各公司自行研制，往往是針對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域，在相互連接及推廣與維護等方面存在諸多不便，也需要專用網(wǎng)關(guān)才能接入以太網(wǎng)[2]。而基于工業(yè)以太網(wǎng)具有控制開發(fā)的設(shè)備可以實現(xiàn)與企業(yè)Internet/Intranet實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場遠程監(jiān)控。

為了實現(xiàn)ARM嵌入式控制器接入工業(yè)以太網(wǎng)，本成果使用STM32F107與DP83848CVV完成客戶端網(wǎng)絡(luò)硬件接口的設(shè)計開發(fā)；在Keil MDK及RL-ARM環(huán)境下開發(fā)客戶端應(yīng)用軟件采用；計算機服務(wù)程序采用WinSocket編程。本成果已在工業(yè)捏煉機控制器得到成功應(yīng)用，并批量生產(chǎn)。

1 客戶端物理層接口設(shè)計

STM32F107是意法半導(dǎo)體推出的一款互連型（Connectivity）微控制器，集成了多種工業(yè)標準接口，與不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有兼容性。外設(shè)包括10個定時器、兩個12位1-Msample/s AD、兩個12位DA、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口和IIS， 另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。其中0/100 MC模塊需要兼容的網(wǎng)卡接口芯片如DP83848CVV才可以完成以太網(wǎng)應(yīng)用。

圖1 STM32F107與DP83848CVV接口

STM32F107通過MII接口與DP83848CVV完成數(shù)據(jù)交換。STM32F107與DP83848CVV接口電路[3]如圖1所示。

2 客戶端軟件設(shè)計

客戶端應(yīng)用軟件在Keil MDK及RL-ARM環(huán)境下開發(fā)[4]。對DP83848CVV接口操作部分具體實現(xiàn)代碼可以采用隨機軟件ETH_STM32x.c文件。在該文件包含了對DP83848CVV操作的底層接口函數(shù)。主要的接口函數(shù)如下：

void init_ethernet(void); //網(wǎng)卡芯片初始化函數(shù)

void send_frame(OS_FRAME*frame); //RL-ARM實時庫將待發(fā)送數(shù)據(jù)包

//送網(wǎng)卡芯片發(fā)送

put_in_queue(frame);//調(diào)用RL-ARM實時庫函數(shù)對接收

//到 TCP數(shù)據(jù)包進行處理

客戶端登錄服務(wù)器流程如圖2所示?？蛻舳说卿浄?wù)器過程的具體代碼（略）。

圖2 客戶端登錄服務(wù)器流程

3 服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器端采用WinSocket編程[5]，在Vc6.0環(huán)境調(diào)試通過。在MFC下創(chuàng)建一個基于單文檔模板的應(yīng)用工程，做好工程后，在構(gòu)造函數(shù)中完成m_srvrSocket與自定義的網(wǎng)絡(luò)事件的聯(lián)系，將其設(shè)置為監(jiān)聽模式，等待客戶機TCP連接。當客戶機聯(lián)機或傳送數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，調(diào)用MyNETMessage消息處理函數(shù)，在該函數(shù)中進行各類網(wǎng)絡(luò)事件的處理。在單文檔模板添加套接字主要的步驟有以下幾步：

在MainFrm.h定義消息事件

#define WM_MY_NETMESSAGE WM_USER+999

在MainFrm.ccp添加消息映射

BEGIN_MESSAGE_MAP(CMainFrame,CMDIFrameWnd)

ON_MESSAGE(WM_MY_NETMESSAGE,MyNETMessage) //為消息處理函數(shù)//添加入口

END_MESSAGE_MAP()

在構(gòu)造函數(shù)中,完成設(shè)置偵聽端口，并進入偵聽。

CMainFrame::CMainFrame(){

interr;

WORD wVer;

WSADATA wsaData;

wVer=MAKEWORD(2,0);

err=WSAStartup(wVer,&wsaData);//判斷 Windows socket dll版本

if(err!=0) {

MessageBox("系統(tǒng)Sockets版本錯誤!");

return;

}

m_srvrSocket.SetMessagePara(this,WM_MY_NETMESSAGE);//設(shè)置消息事件

m_srvrSocket.Create(1300,SOCK_STREAM,FD_ACCEPT);//以TCP連接方

//式創(chuàng)建套接字，設(shè)置偵聽端口為1300

m_srvrSocket.Listen(num);//開始偵聽

}

在消息處理函數(shù)完成各類網(wǎng)絡(luò)事件處理。

LRESULT CMainFrame::MyNETMessage( WPARAM wParam,LPARAM lParam){

CString str;

switch(wParam){

case MYNET_CLIENTREAD:

break;

case MYNET_CLIENTSEND:

break;

case MYNET_CONNECT:

break;

case MYNET_SERVERCLOSE:

break;

case MYNET_SERVERREAD://接收到客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)…… //進行數(shù)據(jù)處理

break;

case MYNET_SERVERSEND:

break;

case MYNET_ACCEPT://客戶端連接到服務(wù)器

str="Set_time";

str+=CTime::GetCurrentTime().Format("%Y%m%d%H%M%S");

m_srvrSocket.SendStr(str);//聯(lián)機成功后發(fā)送主機時間到客戶機

break;

case MYNET_CLIENTCLOSE://客戶機已關(guān)閉break;

}

return TRUE;

}

4 實際應(yīng)用

（1）可靠性。本成果已在工業(yè)捏煉機控制器得到成功應(yīng)用，并批量生產(chǎn)。捏煉機是橡膠煉膠的關(guān)鍵設(shè)備。捏煉機的工作原料主要為生膠、大料、炭黑、油、促進劑、硫化劑等，煉膠時，工作現(xiàn)場粉塵多，環(huán)境條件無法滿足計算機工作要求。應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂蒚CP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議保證，本方案主要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作可靠性。本方案采用工業(yè)級STM32F107完成客戶機設(shè)計，實現(xiàn)對捏煉機生產(chǎn)過程控制。服務(wù)器主機通過遠程方式實現(xiàn)工藝參數(shù)傳輸及捏煉機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收。STM32F107接收服務(wù)器主機發(fā)送的工藝參數(shù)，并按參數(shù)要求運行，運行時，實時將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送回主機。

某規(guī)格橡膠的煉膠工藝如表1所示。通過分析煉膠工藝要求，將各個步驟中的關(guān)鍵參數(shù)時間、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速編寫在工藝文件中，計算機遠程向客戶機發(fā)送工藝文件；客戶機在接收到工藝文件后，在操作人員啟動煉膠后，自動按照規(guī)定參數(shù)逐步完成煉膠過程的控制。

表1 某規(guī)格橡膠的煉膠工藝

另外，服務(wù)器主機采用雙機備份工作模式。工作時，兩臺主機同時接收數(shù)據(jù)，第一主機在完成數(shù)據(jù)接收后及時保存數(shù)據(jù)，并將已保存信息發(fā)送給第二主機，第二主機自動丟棄已接收到的數(shù)據(jù)。當?shù)谝恢鳈C故障時，第二主機接收不到第一主機發(fā)送的信息，則將保存數(shù)據(jù)。

（2）實時性。以太網(wǎng)采用載波偵聽多路復(fù)用沖突檢測（CSMA/CD機制），設(shè)計時采用小容量數(shù)據(jù)包，降低數(shù)據(jù)沖突的情況。煉膠工藝參數(shù)只傳送關(guān)鍵參數(shù)，各字段長度如表2所示，每個步驟共需6字節(jié)，一般的煉膠工藝參數(shù)總長度不超過180字節(jié)，完整的文件可以在一個TCP數(shù)據(jù)包內(nèi)完成傳輸。由于數(shù)據(jù)量少，在主機和客戶機完成TCP鏈接后，僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)，便可以完成數(shù)據(jù)傳輸。客戶機回傳設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)時，狀態(tài)數(shù)據(jù)格式與工藝參數(shù)相同，回傳的間隔時間可動態(tài)設(shè)置，降低單機網(wǎng)絡(luò)資源消耗。在回傳的間隔時間內(nèi)，客戶機將多個時間點的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，定時集中將數(shù)據(jù)發(fā)送回服務(wù)器。

表2 工藝各字段長度

5 結(jié)束語

本方案采用TCP連接方式，完成服務(wù)器主機與客戶機的通訊，現(xiàn)了ARM嵌入式控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與計算機組網(wǎng)。本方案已在捏煉機控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，可靠實現(xiàn)服務(wù)器向設(shè)備傳送生產(chǎn)工藝文件、服務(wù)器對設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測、加工工藝參數(shù)的實時記錄等功能。本方案可廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域，實現(xiàn)各類設(shè)備的監(jiān)測與控制。

[1]馬玉敏，樊留群，張浩.工業(yè)以太網(wǎng)的最新發(fā)展[J].電氣時代，2005，12.

[2]李滔.基于ARM的嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制器的平臺設(shè)計[D].長沙：中南大學，2009，6.

[3]于春雪.基于STM32F107的高速以太網(wǎng)接口[J].電聲技術(shù)，2011，9.

[4]陳基偉，陳小菊.基于GPRS的無線遠距離數(shù)據(jù)采集傳輸裝置[J].機電工程，2011，10.

[5]胡鳴.Windows網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[M].北京:科學出版社，2008.