基于ENC28J60分布式數據采集單元設計及擴展方法

黃安貽，王愛華

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

0 引言

在現代化生產中，為提高工廠生產效率及監控效率，通常需要為生產設備提供多個傳感器以保證數據獲取的準確性，其中以RS232、RS485、CAN總線為代表的串行通信在數據采集中應用較為廣泛，但串行通信傳輸距離短（傳輸距離不超過15 m）、實時性不高（波特率為9 600 bit/s）、抗干擾能力差，為生產設備的實時監控及故障診斷帶來極大不確定性。以太網（Ethernet）以其通信距離遠、通信質量穩定、較強的自動糾錯能力等優點逐步取代總線通信在數據獲取中地位[1]。本文選用STM32F103C8T6及ENC28J60實現數據采集單元的設計[2]，以百兆以太網交換機為平臺提出數據采集單元的拓撲擴展方法，這對自動化產線海量數據的實時、同步、高效采集具有重要意義。

1 系統的總體設計

1.1 系統總體框架圖

本系統的工作原理為：遠程PC機通過網關單元與分布式數據采集單元進行數據通信，每個分布式數據采集單元有固定且唯一的MAC地址及IP地址，可將獲取的傳感器數據作為以太網協議的應用層數據，用網絡協議封裝傳輸至上位機；上位機發出的網絡數據包經解析后通過串行通信的方式發出，從而實現傳感器節點與上位機之間實時的數據通信。由圖1可知，本系統由兩個部分組成，分別如下。

圖1 分布式數據采集網絡結構示意圖

（1）分布式數據采集單元：該單元由主控制器STM32F103C8T6、以太網芯片ENC28J60、RJ45及網絡變壓器構成的HR911105A以太網接口模塊、AMS1117線性穩壓模塊組成。每個分布式數據采集單元引出三個獨立的異步串行通訊接口USART作為傳感器接入節點，數據采集單元獲取傳感器節點的數據[3]，經以太網模塊處理后通過網關單元上傳至上位機。

（2）可擴展網關單元：該單元由多個百兆以太網交換機組成，形成可擴展的星型拓撲網絡結構，將多個數據采集單元通過以太網連入網關，解決傳感器節點受限等問題。

1.2 數據采集單元

1.2.1 MCU

本系統選用32位的STM32F103C8T6為數據采集單元的主控制器，該處理器采用Corte-M3架構，具有很多包括更高的代碼速度、更強的操作性能、低成本、低功耗等優點。主控制器芯片采用貼片式48引腳的LQFP封裝，最高工作頻率可達72 MHz，工作溫度為-45℃～+85℃。出色的性能及豐富的外設資源（包括UART、USART、RS232、SPI、IIC等）使得硬件設計大大簡化，該處理器的執行速度及內存完全滿足數據采集單元實時性、穩定性的要求。為減小數據采集單元的體積，文中僅引出最小系統、異步串行通訊USART接口、SWD下載接口及SPI接口等，STM32F103C8T6的引腳圖如圖2所示。

圖3 ENC28J60與HR911105A連接原理圖

1.2.2 網絡模塊

以太網網絡芯片選用符合IEEE 802.3協議、28獨立引腳的ENC28J60以太網控制器，該控制器可作為任何帶有SPI控制器的以太網控制芯片，是目前市面上性價比最高、體積最小的嵌入式以太網解決方案。ENC28J60主要優點有：（1）支持全雙工、半雙工模式；（2）內部集成10BASE-T的MAC及PHY控制器；（3）數據沖突時支持自動重發；（4）SPI速度可達10 Mb/s；（5）支持DMA，實現快速的數據交換及IP校驗[4]。

圖3為ENC28J60與HR911105A連接示意圖，根據ENC28J60工作性能要求，需在23引腳(OSC1)、24引腳（OSC2）兩端連接25 MHz的平行切割晶振及20 pF的接地電容；為使ENC28J60工作穩定，在其內部集成了2.5 V穩壓器并在VCAP與GND之間外接10μF電容，但內部穩壓器無法帶動外部負載，需外接3.3 V電源；ENC28J60的差分發送及差分接收引腳、LEDA/LEDB分別與集成以太網變壓器RJ45的HR911105A對應引腳相連。其中，差分發送引腳外接一個帶有中心抽頭的1∶1變壓器并接入51Ω電阻以防靜電干擾[5]。

圖4 數據采集單元結構示意框圖

圖4 為數據采集單元結構示意框圖，從中可明顯得知主控制器與以太網芯片的連接關系為：ENC28J60與主控制器STM32通過兩個中斷引腳、串行外設接口（SPI） 實現通信，由于ENC28J60的工作電壓為3.14～3.45 V，TTL輸入，因此兩者可以直接連接；STM32的14、15、16、17引腳分別復用為SPI_CS（從設備選擇）、SPI_SCK（串口時鐘）、SPI_MISO（主入從出）、SPI_MOSI（主出從入），這四個引腳分別與ENC28J60的CS、SCK、SI、SO相連，其中CS為低電平時，允許數據傳輸，被置高時完成相應操作；SPI_SCK為ENC28J60提供所需工作時序，時鐘引腳SPI_SCK為上升沿時，數據或命令通過SI引腳輸入ENC28J60，為下降沿時，數據或命令從SO引腳輸出至STM32，傳輸速率高達10 Mb/s。

1.2.3 電源電路設計

圖5 系統電源電路原理圖

數據采集單元接入5 V電源，經濾波穩壓之后輸出標準的3.3 V電壓為STM32及ENC28J60以太網芯片供電。電路中選用AMS1117作為穩壓芯片，對電路進行穩壓，使其輸出恒定的直流電壓。AMS1117固定輸出電壓有3.0 V，3.3 V和5.0 V，具有1%的精度。為防止環境溫度對硬件電路的破壞，穩壓芯片內部集成了過熱保護和限流電路。根據硬件電路要求，穩壓芯片選擇SOP-223封裝的AMS1117-3.3。圖5為系統電源電路原理圖，1號引腳接地，2號引腳為輸出電壓（3.3 V），3號引腳為輸入電壓（5 V）。C1、C2為輸入電容，有以下作用：（1）交流電壓整流輸入；（2）單向脈動電壓轉化成直流電壓；（3）防止斷電后電壓倒置；（4）抑制干擾。C3、C4為輸出電容，有濾波及抑制自激振蕩等作用，若輸出端不接濾波電容，則線性穩壓器輸出的是不穩定的振蕩波形。

2 網關單元

可擴展網關單元采用百兆以太網交換機成星型拓撲結構連接，如圖6所示，網關單元可擴展，管理方便，組網容易，單一節點出現故障不會干擾其他節點工作，便于故障排查。該網關單元的擴展性可保證分布式數據采集單元及傳感器節點的無限接入，解決了多傳感器接入節點受限的問題，方便多傳感器海量數據采集。

圖6 可擴展網關單元連接示意圖

3 軟件設計

構建分布式數據采集單元模塊除了對以太網控制器及以太網變壓器進行硬件設計之外，還需對數據采集單元進行軟件程序設計。對以太網數據及指令傳輸過程可解釋為以下過程：對即將發送的串口數據按以太網幀格式進行封裝以傳輸至上位機；對以太網控制器接收到的以太網數據解包供串行設備使用。本文使用Keil μVision5對軟件功能的實現進行程序編寫（流程圖見圖7），具體流程如下。

（1）初始化：在使用ENC28J60收發數據或指令時，必須初始化以太網芯片ENC28J60及STM32F103C8T6定時器并設置TCP及ARP的超時時間。ENC28J60初始化主要對收發緩沖器、晶振起振時間、主要狀態寄存器（包括EIE、EIR、ESTAT、ECON2、ECON1等）進行設置；關閉STM32中斷輸入并保持復位引腳處于低電平復位狀態，若以太網時鐘啟動標志位置位，則開中斷；設置上位機及分布式數據采集單元的IP地址、網關、子網掩碼等。這里設置上位機的IP地址為169.254.226.30，網關為169.254.226.1、子網掩碼為255.255.0.0；分布式數據采集單元的MAC地址為0x11，0x22，0x33，0x44，0x55，IP地址為169.254.226.123，分布式數據采集單元IP地址必須與上位機IP地址在同一個局域網下。

（2）主循環：查詢ENC28J60網絡芯片是否有數據包收到，若有IP數據包收到且為本機MAC地址，則對IP數據包解包處理，UDP連接成功之后調用應用程序接口函數UIP_APPCALL()發送數據；若檢測到網絡芯片接收到的數據為ARP包或當前有數據需要發送，則按照以太網幀格式打包數據并由物理網卡將包送出。

圖7 程序流程圖

4 實驗驗證與結果分析

將數據采集單元及上位機分別與百兆以太網交換機連接，在上位機的指令終端中輸入指令ping 169.254.226.123，實驗結果如圖8所示，上位機向目標數據采集單元發送了四個數據包，數據采集單元也全部接收，說明所設計的數據采集單元與上位機互ping成功，數據可正常收發。

圖8 上位機與單片機互ping實驗

通過socket tool軟件對分布式多傳感器數據采集單元的穩定性及實時性進行實驗驗證，并對采集的實驗數據進行分析。為驗證分布式數據采集單元的穩定性及實用性，使用兩組該模塊單元對四個超聲波傳感器進行數據采集并在采樣數據之前設置41 41、42 42標志位對多超聲波傳感器加以區分。超聲波傳感器通信波特率為9 600 bit/s，通信協議格式為0xFF、高八位（DATA_H）、低八位（DA?TA_L）、數據校驗位(SUM)，數據驗證規則為SUM=（0xFF+DATA_H+DATA_L）&0x0F。TCP Server為TCP服務端，169.254.226.30即為上位機IP地址；TCP Client為TCP的客戶端，169.254.226.123、169.254.226.163分別為兩個傳感器數據采集單元的IP地址。通過IP地址可分辨各個數據采集單元，保證數據傳輸的獨立性；超聲波傳感器的數據準確無誤，驗證了該數據采集單元數據傳輸的穩定性及實時性。由此可看出，分布式數據采集單元強大的實時性及較低的丟包率是普通串行通信不能比擬的。因此，分布式數據采集單元具有采集數據穩定、丟包率低且實時性較好等優點，可用于多傳感器海量數據的實時采集與故障監控。

5 結論

通過對本系統的研究表明：以ENC28J60以太網芯片設計的數據采集單元具有體積小、實時性強、穩定性好等優點，可保證數據高效、穩定透傳；多數據采集單元的分布式分布，便于數據采集通道的擴充，同時也可解決串行設備數據采集系統布置分散、資源浪費、插接不便等問題；各個傳感器節點數據可獨立自主處理，數據信號不相互串擾，便于故障的排查及替換；多機并行的工作方式使得單個單片機僅完成有限工作即可，對底層硬件要求不高并能構建高性能的系統。另外，本文提供一種傳感器節點可擴展的以太網網關解決方案，解決現階段中數據采集通道受限的問題，為海量數據的多通道采集提供解決思路。