一種安檢機應用的多路多源通信板

李 飛

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技術有限公司， 北京 100048）

0 引言

隨著國家民航業大力發展， 機場安保系統供應廠家越來越多且越來越復雜化， 因此安檢設備需要和不同合作廠商進行數據交互。在許多場合，由于設備處理數據的形式不同，通信接口各有差異[1]，由于設備差異或者特有通信模塊的高成本，導致接口方式很難實現統一，為此本文設計了一種安檢機應用的多路多源通信板。 此通信板以STM32 為主控制器，結合各種通信芯片和控制芯片實現了對多路可配置GPIO、多路RS232/RS422 和以太網的數據收發和邏輯控制， 滿足了安檢設備靈活對接多種接口的功能，液晶模塊對安檢設備的當前狀態進行顯示，方便現場糾錯和調試，降低了企業成本。

1 系統總體設計

多路多源通信板主要由32 路可配置GPIO 輸入、24路無源接點輸出、4 路串行接口（RS232/RS422）、1 路以太網通信接口 （W5100）、1 塊EEPROM 存儲器芯片以及1塊12864 液晶顯示模塊組成，通信板系統框圖見圖1。

圖1 通信板系統框圖

STM32 芯片作為多路多源通信板的核心控制器，主要控制協調各路串行信號和以太網信號的發送、接收、緩存處理以及當前狀態輸出和液晶顯示、安檢設備GPIO 信號的輸入/輸出狀態變化，最終實現上位機或合作廠商對安檢設備的狀態采集和控制等功能， 通信板實際應用系統框圖見圖2。

圖2 通信板實際應用系統框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電源電路

根據各控制芯片的供電需求， 需要將輸入電壓24V 轉換為5V 和3.3V，為了提高轉換效率、增加電壓轉換的穩定性，24V 轉5V 芯片選用明緯的SPUN02N-5 芯片，該芯片具有輸入輸出電壓隔離達到3KVDC、內部集成短路/過載保護。5V 轉3.3V電源電路芯片選用低壓差線性穩壓器LM1117[2]，結合LM1117芯片典型輸出特性、 芯片結對環境發熱系數等參數計算后選用芯片的封裝為SOT-223，電源電路圖見圖3。

圖3 電源電路圖

2.2 STM32 主控電路

通信板要求芯片處理速度快、 兼容性好且價格低廉，所以本設計選用的是ST 公司生產的STM32F103ZET6 型號處理器， 此芯片搭載了性能優越的ARM Cortex-M3 內核，嵌入了512K 字節FLASH 和64K 字節SRAM 存儲器，最高工作頻率可達72MHz，GPIO 通用接口達到112 個，具有多個可復用的SPI、I2C、串口，可搭載多種外設等一系列優點[3]。本設計采用8M 無源晶振、啟動區域為主閃存存儲、調試下載用2 線制的SWD 方式，主控電路框圖見圖4。

圖4 主控電路框圖

2.3 GPIO 端口信號

在工業現場，信號通過無源接點交互具有抗干擾能力強、可靠性高，傳輸實時性好、 接線方式簡單、安全可靠等優點。 此通信板也實現了無源接點的采集和輸出的功能。

2.3.1 GPIO 輸入信號

GPIO 輸入信號根據實際使用情況分兩種：

（1）采集安檢機（簡稱內部信號）信號，由于此部分信號在機器內部有穩定性處理并且有確定電性， 根據被采集信號內部定義，信號狀態為邏輯低電平有效，所以設計如圖5 電路進行信號采集，通過單向TVS[4]確保電路信號穩定性，抑制瞬態干擾。為了提高對使用中通道的直觀顯示，在每個通道上添加LED 指示燈。 根據GPIO 端口采集的頻率，設計合理的RC 數值。

圖5 輸入信號電路示意圖1

（2）采集合作廠家（簡稱外部信號）信號，由于外部信號電平的不確定性， 需要將采集信號電平轉換為與主控芯片MCU 匹配的電平信號。由于工業現場存在各種干擾信號，所以必須阻止干擾信號進入通信板，提高系統的抗干擾能力。 光電耦合器（筒稱光耦）是常用的轉換隔離器件，在光耦工作過程中，光在其中發揮重要的載體作用，不受電磁等干擾，能夠保證進出信號的穩定性，可以實現電氣隔離[5]。 依據設備使用實際環境，本設計采用TLP281光電耦合器以保證系統的可靠和穩定。 光耦隔離的輸入和輸出部分切記分別獨立供電，以免失去隔離意義。輸入信號電路示意圖見圖6。

圖6 輸入信號電路示意圖2

根據實際情況，外部輸入信號大致分為兩類：外部供電信號和無源接點信號。 外部輸入信號接線見表1。

表1 外部輸入信號接線

針對輸入信號的接線做如下簡單說明： 定義外部對接電纜為2 芯線，其中一根為A，另一根為B。

2.3.2 GPIO 輸出信號

本設計采用TI 公司的ULN2803A 達林頓晶體管陣列進行繼電器驅動[6]，ULN2803A 的設計與標準TTL 系列兼容，并且耐壓高，電流大。 繼電器采用歐姆龍G6DN 系列，G6DN 具有高達5A 的高開關容量， 通過采用縱橫雙觸頭設計具有更高的接觸可靠性， 同時符合加強絕緣的應用標準EN61010-1 和EN61010-2-201。 單路輸出電路示意圖見圖7。

圖7 單路輸出電路示意圖

2.4 RS232/RS422 串行通信

該電路RS232/RS422 信號中采用SIPEX 公司生產的SP3232E[7]雙路收發器和SP3490E 全雙工收發器進行交互電平信號轉換。 本次設計采用MCU 的一個串口同時連接RS232 和RS422 的方式，這樣既節省串口，又提高了對外接口的多樣性。 SP3232E 芯片優點為在人體放電模式和IEC1000-4-2 空氣放電試驗模式下ESD 容差為±15kV。SP3490E 芯片為低功耗全雙工收發器， 符合RS422 串行協議規格，在有負載情況下最低10Mbps 通信速率。 為了提高通信的穩定性和抗干擾性， 在串行信號輸入和接收端設計正確的TVS 管， 經測試滿足設計規則并且設備的可靠性顯著提高。 單路串行通信電路示意圖，見圖8。

圖8 單路串行通信電路示意圖

2.5 液晶顯示部分

本設計顯示部分采用液晶顯示模塊LCD12864[8]，經過合理性評估采用南京羅姆公司的WYM12864K14 型號，通信方式采用并行通信， 顯示方式為藍底白字方式且帶背光，顯示示意圖見圖9。 本設計采用液晶模塊顯示當前設備的實時狀態，相比于以往的觀察輸入輸出點位方式，此種方式更加直觀明了， 方便現場調試人員去對接和分析問題。

圖9 顯示示意圖

2.6 以太網

以太網以其開放性、可靠性、價格低、速度高、傳輸距離遠、多種傳輸介質可選、連接方式靈活多變、易于組網應用等優勢得到廣泛應用[9]，工業現場越來越多的現場采集設備需要擴展網絡功能以實現遠程控制和數據傳輸。

本設計采用WIZnet 公司的W5100 芯片，全硬件TCP/IP 協議棧是它的一項專利產品， 它簡化了傳統的TCP/IP協議棧，節約了芯片內部資源等，同時內部還集成了MAC和PHY，減少了工程師開發周期、降低開發成本[10]。

W5100 與主機進行通信支持直接并行總線、 間接并行總線以及高速SPI 接口3 種方式， 本設計W5100 采用直接并行總線方式，以太網驅動電路框圖見圖10，設計中采用13F-60FGYDPNW2 電磁隔離型RJ45 接口實現電氣隔離，W5100 電路示意圖見圖11。

圖10 以太網驅動電路框圖

圖11 W5100 電路示意圖

2.7 存儲EEPROM

本設計中EEPROM 芯片采用ATMEL 公司生產的AT24C02 型號芯片，此芯片和MCU 通信采用IIC 模式，IIC（Inter-Integrated Circuit）是現今主流的串行通訊協議的一種，在IIC 傳輸中，由數據線SDA 和時鐘SCL 構成的串行總線，發送和接收數據[11]。 這種傳輸方式具有交互信號線少，設計靈活等特點，電路示意圖見圖12。 每個通信板IP 默認寫入EEPROM，也可針對實際情況進行隨時修改，通信板IP 顯示示意圖見圖13。

圖12 IIC 電路示意圖

圖13 通信板IP 顯示示意圖

3 軟件程序編寫

由于涉及公司項目，軟件部分針對不同的使用模式用A/B/C 代替， 進行程序編寫，將當前設備狀態直觀的顯示在液晶面板上。 本設計軟件開發環境為Keil uVison5，采用C 語言編寫，秉承模塊化設計，提高程序的簡便性和可移植性。初始化部分包括：延遲函數、GPIO 口、映射、USART、LCD12864、IIC、中斷、定時器等。 網口部分采用TCP/IP 協議，通信板作為服務器模式端SERVER， 遠程控制端作為客戶端CLIENT進行交互通信。 系統軟件簡略流程示意圖見圖14。

圖14 系統軟件簡略流程示意圖

4 系統測試與分析

為了測試在不同模式下多源多通道板數據傳輸的正確性和穩定性，搭建實際環境進行測試。 實驗結果表明通信板長時間持續工作，輸入輸出均工作正常，串口和網口均可按照內部邏輯正常工作。所以表明通信板穩定可靠，此設計滿足應用要求。通信板實物照片見圖15，網口數據可以通過串口進行實時監測，網口通信示意圖見圖16。

圖15 通信板實物照片

圖16 網口通信監聽示意圖

5 結論

本文設計的以STM32 為核心的多路多源通信板，擁有較強的數據處理能力，同時實現了多串口通信，可配置的GPIO 信號采集和處理， 具有良好的可移植性等優點。此接口板集成度高、穩定性好、接線方式簡單、相對低成本，可以適用于復雜的工業現場，所以此多功能接口板有很高的使用價值，是一款高性價比很高的通信板。