工業CGI現場監控系統設計

孫在尚+李慶達+米熱班古麗

【摘要】 為了實現對工廠環境監控信息的事實傳輸，提出了一種基于STM32F103系列單片機的工業CGI現場監控系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統的硬件部分主留有多種通信方式接口封裝，軟件部分采用C語言進行編程，能夠完成對工業環境的實時監控數據進行傳輸。實際應用表明，該系統具有操作簡便、抗干擾能力強的特點。

【關鍵詞】 工業CGI STM32F103系列 C語言 單片機

一、系統功能及智能網關部分功能概述

系統要求監測的工廠環境信息和連接的PLC設備運行信息能夠及時的上傳到手持終端或電腦終端，通過手持終端或電腦客戶端能夠實時了解受監控設備的運行狀態并能夠對一些實時性要求不太強、不影響生產過程的簡單操作進行控制。選用的芯片以及其他硬件設備具有可靠地穩定性，下層節點具有適應嚴酷環境的能力（寬泛的溫度適應域，90%以上的空氣濕度，可靠地抗電磁干擾能力）。為了適應嚴酷環境，提高系統穩定性，系統主控芯片采用STM32F103系列。為提高系統的開放性及兼容性，下層設計成分層式，智能網關只負責數據流向，不再負責數據處理，節點負責數據處理。為了更好地適應工廠環境，通訊方式可選網線，485，ZIGBEE等，只能網關留有統一的接口，通訊方式封裝到板卡上，直接插到網關上。

二、系統硬件設計

2.1硬件架構與要求

經過充分的調研，我們發現工業現場環境嚴酷，為提高系統的穩定性和適應嚴酷環境的能力。系統需要寬泛的溫度適應域。在90%以上的空氣濕度（無凝水現象）的環境中，系統能可靠穩定的工作。另外系統還要有可靠地抗電磁干擾能力和抗振動能力。

為了提高系統的抗干擾能力（雷擊、過電壓、過電流），系統需進行避雷、防過壓過流設計。為確保系統高可靠性運行，減少故障的發生，系統主控芯片采用STM32F103系列或飛思卡爾K60系列。工廠設備間通信協議多且復雜的特點，且一般PLC都支持MODBUS協議，為了通信統一，整個系統的通信協議都采用MODBUS 協議。為了兼容其他沒有采用MODBUS協議的設備，需制作一協議轉換模塊，將其他通信協議轉化為MODBUS協議。為了更好地適應工廠環境，通訊方式可選網線、485、ZIGBEE等多種通信方式以提高系統的開放性及兼容性。

2.2硬件設計

系統硬件主要由主控部分、電源部分、通信接口部分組成。

2.2.1主控部分

1、主控芯片

ARM公司的高性能”Cortex-M3”內核，1.25DMips/ MHz，而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz，一流的外設， 1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉速度，低功耗，在72MHz時消耗36mA（所有外設處于工作狀態），待機時下降到2μA，最大的集成度，復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等，簡單的結構和易用的工具，STM32F10x參數，2V-3.6V供電，容忍5V的I/O管腳，優異的安全時鐘模式，帶喚醒功能的低功耗模式，內部RC振蕩器，內嵌復位電路，工作溫度范圍：，-40℃至+85℃或105℃，STM32F101性能，36MHz CPU多達16K字節SRAM 1x12位ADC溫度傳感器。

2.2.2電源部分

系統采用24伏穩壓直流電源供電。系統設有三個接線端口，分別鏈接外部電源的正負電極和大地。在總電源電源電路中接入壓敏電阻，壓敏電阻具有很好的防雷、過壓保護作用。智能網關主控需要3.3伏電源，通信模塊需要5伏電源。為提高系統的可靠性和穩點性，通信模塊和主控模塊分開供電。分別采用兩個功率分別為2W和14W的DC/DC電源降壓模塊將24伏電源降壓到5伏給主控和通信模塊供電。DC/ DC電源降壓模塊具有體積小、功耗小、電壓穩定、精度高、抗干擾能力強等特點，更重要的是DC/DC電源降壓模塊隔離保護后續電路的作用。將功率為2W的DC/DC電源降壓模塊降壓得到的5伏電源用LM1117芯片轉3.3伏后給主控芯片供電。將功率為14W的DC/DC電源降壓模塊降壓得到的 5伏電源給通信模塊供電。

2.2.3通信接口部分

主板板上共有四個并聯的接口每個接口上有地址線、網卡接口、485接口和ZigBee。每個端口均可插入任何通訊接口，每個接口同時只允許一種接口插入，根據需要臨時插入即可使用。 通信接口和主控之間通過光電耦合鏈接。

系統接口輸入輸出外設采用USR-TCP232-T以太網—串口模塊，該模塊能將TCP網絡數據包或UDP數據包與RS232接口數據實現透明傳輸，網絡轉串口模塊 USRTCP232-T是連接串口設備到網絡的橋梁，借助此模塊，可以輕松實現設備聯網管理和控制功能。

三、軟件架構與要求

3.1智能網關系統軟件運行結構圖

四、 結論

該工業CGI現場監控系統采用具有高數據數據處理的能力，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和維護性。系統具備可靠地抗電磁干擾能力和抗振動能力。 實際測試表明該測試系統具有穩定可靠、使用簡單等特點，達到了設計要求。