STM32F107VC的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

關(guān)麗敏，李思慧，李偉剛

(1. 長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064；2. 西安昆侖工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

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關(guān)麗敏1，李思慧1，李偉剛2

(1. 長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064；2. 西安昆侖工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

針對處于偏遠(yuǎn)地區(qū)或惡劣環(huán)境中的無人值守設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控問題，本文應(yīng)用嵌入式技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。圍繞核心處理器STM32F107VC構(gòu)建了終端的硬件系統(tǒng)，介紹了網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)、輸入/輸出接口設(shè)計(jì)和本地存儲電路設(shè)計(jì)。監(jiān)控終端軟件基于ARM公司的RL-ARM中間件，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并行的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信、基于WebServer的遠(yuǎn)程配置服務(wù)和臨時(shí)存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有效降低了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成本。

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端；STM32F107VC；WebServer；RL-ARM

引 言

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等諸多領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)依靠其數(shù)量龐大的遠(yuǎn)程終端單元收集各終端站點(diǎn)信息和執(zhí)行控制策略。遠(yuǎn)程終端單元的性能、成本、可靠性對整個(gè)系統(tǒng)而言舉足輕重。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于終端站點(diǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣或站點(diǎn)廣泛分散的系統(tǒng)，要求站點(diǎn)長期無人值守，如電信公司的電話光纖網(wǎng)絡(luò)交接設(shè)備、高速公路機(jī)電設(shè)備等。如何保證終端站點(diǎn)的信息高效、可靠地上傳，并能對中心系統(tǒng)的命令及時(shí)響應(yīng)，成為目前廣泛研究的熱點(diǎn)問題。參考文獻(xiàn)[1]提出了一種基于GPRS無線傳輸?shù)臒o人值守低功耗遠(yuǎn)程終端的設(shè)計(jì)方案；參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于MODBUS協(xié)議的RS485通信方式的遠(yuǎn)程終端；參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于CAN總線的智能監(jiān)控終端。但是基于以太網(wǎng)通信的無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案還較少。本文基于以太網(wǎng)通信方式，以STM32F107VC網(wǎng)絡(luò)處理器為核心單元，實(shí)現(xiàn)了一種低成本、高效、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程終端單元。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

對于電信公司EPON無人值守設(shè)備、高速公路無人值守機(jī)電設(shè)備等所處的遠(yuǎn)程站點(diǎn)，通常布設(shè)有可以利用的可靠光纖網(wǎng)絡(luò)，基于網(wǎng)絡(luò)通信并充分利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是監(jiān)控終端設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的重點(diǎn)。作為現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端應(yīng)具備下述功能：穩(wěn)定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口；與現(xiàn)場信息采集設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入/輸出接口；本地大容量備份信息存儲。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用STM32F107VC網(wǎng)絡(luò)處理器作為系統(tǒng)核心單元，此芯片具備72 MHz運(yùn)行頻率和90 DMIPS的處理性能，集成了以太網(wǎng)、CAN總線、RS485、RS232、USB OTG等各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、16路12位1 Msps采樣速率的A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、2路12位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器等，可以應(yīng)用于多種工業(yè)場合[4]。在核心處理器的基礎(chǔ)上，充分利用其集成的外設(shè)單元，設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)了需求功能，保證遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)成本。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)計(jì)

STM32F107VC核心處理器內(nèi)部集成支持工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588的Ethernet MAC Interface，需要外部擴(kuò)展PHY連接物理層網(wǎng)絡(luò)。選用美國國家半導(dǎo)體公司的DP83848C芯片作為物理層接口芯片，該芯片是10/100 Mb/s單路低功耗物理層接口器件，與核心處理器通過Media-Independent Interface(MII)相接。以太網(wǎng)通信接口電路如圖3所示。

1.3 輸入/輸出接口設(shè)計(jì)

輸入/輸出接口包括AI(Analog Input)接口、DI(Digital Input)接口和DO(Digital Output)接口。AI接口連接傳感器獲取現(xiàn)場連續(xù)變化的信號，如溫度、濕度、煙霧等；DI接口連接傳感器采集現(xiàn)場的開關(guān)量信息，如設(shè)備震動、開關(guān)門動作、水浸超標(biāo)和系統(tǒng)斷電等；DO接口輸出數(shù)字信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，如繼電器等設(shè)備。

STM32F107VC內(nèi)部集成ADC，輸入通道的幅值范圍為0～3.3 V，傳感器輸出的模擬量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過濾波、放大的處理過程輸入至ADC接口通道。ADC的精度很大程度上依賴于基準(zhǔn)電源的精度，系統(tǒng)采用高精度參考電壓源AD780為STM32F107VC提供基準(zhǔn)電壓。AD780是一款超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源，可以通過4～36 V的輸入電源提供2.5～3.0 V輸出基準(zhǔn)電壓。它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，非常適合用于增強(qiáng)高分辨率ADC的功能。系統(tǒng)的AI接口電路如圖4所示。

STM32F107VC的GPIO引腳都可以由軟件配置為輸入/輸出模式，并且輸入可承受5 V TTL電平。系統(tǒng)采用PC817光電耦合器實(shí)現(xiàn)GPIO引腳與外圍電路的電氣隔離，提升終端的電絕緣和抗干擾能力。DO接口使用大電流三極管驅(qū)動繼電器輸出開關(guān)信號。

1.4 本地存儲電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲分為兩部分：系統(tǒng)參數(shù)的存儲與采集數(shù)據(jù)的存儲。系統(tǒng)參數(shù)的存儲使用EEPROM，保證系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，選取8 KB存儲容量的24LC64芯片，使用I2C總線接口對其進(jìn)行讀寫操作。

選取SD卡作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲器。SD卡具有數(shù)據(jù)傳輸率快，移動靈活性好且具有較高的安全性等性能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)暫時(shí)存儲現(xiàn)場信息，以便網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正?；颥F(xiàn)場檢修時(shí)將數(shù)據(jù)信息取出。使用STM32F107VC處理器的SPI總線實(shí)現(xiàn)與SD卡的存儲接口。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的性能和效率由系統(tǒng)軟件直接決定。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端將現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理過濾，形成有效信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地上報(bào)給監(jiān)控中心的通信服務(wù)器。接收通信服務(wù)器的指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警條件時(shí)，立即將報(bào)警信息報(bào)送監(jiān)控中心處理。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控終端位于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的最遠(yuǎn)端，經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、地理位置偏僻的站點(diǎn)，還應(yīng)具備遠(yuǎn)程配置的功能。

圖3 以太網(wǎng)通信接口電路

圖4 輸入/輸出接口電路

系統(tǒng)軟件應(yīng)用ARM公司的RL-ARM中間件，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)實(shí)時(shí)處理、網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層程序及大容量文件系統(tǒng)。前文已述的物理層接口芯片(PHY)DP83848和STM32F107VC內(nèi)部集成的網(wǎng)絡(luò)控制器(MAC)分別實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，通過RL-ARM中間件提供的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了傳輸層的TCP、UDP通信以及HTTP服務(wù)。通過RL-RTX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行與任務(wù)間通信[5]。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信模塊設(shè)計(jì)

為了保證數(shù)據(jù)與命令傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，將網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信程序分為三個(gè)子任務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理任務(wù)、信息智能上傳任務(wù)、命令執(zhí)行任務(wù)。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理任務(wù)掃描GPIO端口讀取開關(guān)信號，完成狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)；通過處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換控制器采集現(xiàn)場模擬信號，經(jīng)過軟件濾波、量化等處理之后，得到現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)；通知信息上傳任務(wù)提取現(xiàn)場環(huán)境信息。

系統(tǒng)通信命令分為兩類：一類命令為控制命令，用于控制智能終端控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，采用面向連接的TCP傳輸協(xié)議；另一類命令為查詢命令，用于監(jiān)控中心軟件查詢智能終端系統(tǒng)的配置信息，采用簡單、輕量級的UDP傳輸協(xié)議。命令執(zhí)行任務(wù)開啟網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽后，當(dāng)收到TCP連接時(shí)，打開接收命令網(wǎng)絡(luò)端口(系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用9003端口)，與監(jiān)控中心服務(wù)器建立TCP連接，收到控制命令后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，如打開或關(guān)閉繼電器；當(dāng)收到UDP包時(shí)，打開端口，接收查詢命令，根據(jù)命令讀取配置信息，使用UDP傳輸協(xié)議發(fā)送給監(jiān)控中心通信服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信模塊依托RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的Sockets底層庫，基于傳輸層協(xié)議TCP和UDP，實(shí)現(xiàn)自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議的發(fā)送和接收。

2.2 遠(yuǎn)程配置服務(wù)模塊設(shè)計(jì)

基于RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層HTTP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)對智能終端遠(yuǎn)程配置的功能。管理員使用任一臺網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可訪問智能終端系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置界面，經(jīng)過密碼認(rèn)證后，就可以對智能終端的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、查看系統(tǒng)狀態(tài)、對遠(yuǎn)端站點(diǎn)進(jìn)行手工控制等。

用HTML(HyperText Mark-up Language)和JavaScript語言設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程配置服務(wù)界面，包括主界面、控制參數(shù)配置界面、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置界面、通信參數(shù)配置界面、數(shù)字通道狀態(tài)監(jiān)控界面、模擬通道狀態(tài)界面、用戶登錄管理界面、手動控制狀態(tài)界面和數(shù)據(jù)文件上傳界面。主界面如圖6所示。

圖6 主界面

控制參數(shù)配置界面用于修改和查詢系統(tǒng)預(yù)存儲的現(xiàn)場環(huán)境臨界參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置界面用于修改和查詢智能終端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，如本機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)IP地址等；通信參數(shù)配置界面用于修改和查詢通信主機(jī)IP地址、各通信任務(wù)的端口地址等參數(shù)；數(shù)字通道狀態(tài)監(jiān)控界面用于對系統(tǒng)開關(guān)量輸入通道的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；模擬通道狀態(tài)界面用于對系統(tǒng)模擬量輸入通道的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；用戶登錄管理界面用于設(shè)置和查詢系統(tǒng)管理員ID和密碼；手動控制狀態(tài)界面用于對系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動操作和測試；數(shù)據(jù)文件上傳界面可以將系統(tǒng)本地存儲的臨時(shí)數(shù)據(jù)文件上傳至管理員計(jì)算機(jī)。

2.3 本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計(jì)分為24LC64(EEPROM)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在ST公司發(fā)布的I2C總線驅(qū)動程序基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了24LC64驅(qū)動程序，包括單字節(jié)讀/寫函數(shù)，按頁讀/寫函數(shù)和隨機(jī)讀/寫函數(shù)。

本地?cái)?shù)據(jù)存儲程序的另一個(gè)重要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)基于SD卡的文件系統(tǒng)，目的是將網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)的數(shù)據(jù)以文件格式保存，供網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)或操作員現(xiàn)場讀取。利用RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)模塊，建立SD卡文件系統(tǒng)，可以兼容FAT32格式文件，支持TFTP服務(wù)對文件的存取。由于系統(tǒng)硬件使用SPI總線連接SD卡，軟件采取數(shù)據(jù)流方式對SD卡進(jìn)行讀寫操作，文件系統(tǒng)依賴DMA(Direct Memory Access)，所以在初始化程序中應(yīng)加入DMA的參數(shù)設(shè)置。

結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端具有以下特點(diǎn)：

① 以STM32網(wǎng)絡(luò)處理器為核心，充分利用其集成的外設(shè)單元，實(shí)現(xiàn)了低成本的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，能夠?qū)o人值守機(jī)電設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)測。

② 基于RL-ARM的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息同步上傳、智能報(bào)警信息上傳、通信命令執(zhí)行子任務(wù)的獨(dú)立運(yùn)行，保證了智能終端與遠(yuǎn)程主機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

③ 設(shè)計(jì)了基于HTTP的WebServer遠(yuǎn)程配置服務(wù)和基于TFTP的網(wǎng)絡(luò)文件傳送服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對智能終端的遠(yuǎn)程配置和管理。

④ 在SD卡上實(shí)現(xiàn)了智能終端的本地文件系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)異常情況時(shí)的數(shù)據(jù)存儲提供了保證。

[1] 李美蓮. 基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的研究[J]. 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2010(16):629.

[2] 彭道剛, 張浩, 李輝，等. 基于Modbus協(xié)議的ARM嵌入式監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電力自動化設(shè)備，2009, 29(1):115-119.

[3] 周丹峰, 李杰. 基于CAN總線的懸浮控制器監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2005(10):28-29.

[4] 程小艷. 嵌入式STM32F107VCT6微處理器接口模塊開發(fā)及應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2012.

[5] 方安平, 武永誼. 基于MDK RTX的Cortex-M3多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2008(12):30-33.

關(guān)麗敏(工程師)，主要從事嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用以及控制工程領(lǐng)域的工作和研究。

Guan Limin1, Li Sihui1, Li Weigang2

(1.School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China；2.Xi’an Kunlun Industry(Group) Company)

Aiming at the problem that unattended equipments are usually in remote areas and harsh environments, the paper designs a remote monitoring terminal of data acquisition and monitoring system. Based on the the core processor STM32F107VC， the hardware system of the terminal is designed，the input/output interface and local storage circuit are designed. The software of the monitoring terminal is based on RL-ARM middleware of ARM. It completes the multitasking parallel network real-time communication, based on the WebServer remote configuration services and temporary storage of field data file system. Application results show that the system has high reliability, strong real-time performance and effectively reduces the cost of remote monitoring system.

remote monitoring terminal; STM32F107VC; WebServer; RL-ARM

TP23

A

迪娜

2014-01-21)