E-車間通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 葉，朱 昊，朱曉春

（1.南京工程學(xué)院，南京 211100；2.先進數(shù)控技術(shù)江蘇省重點建設(shè)實驗室，南京 211100）

E-車間通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 葉1,2，朱 昊1,2，朱曉春1,2

（1.南京工程學(xué)院，南京 211100；2.先進數(shù)控技術(shù)江蘇省重點建設(shè)實驗室，南京 211100）

為解決傳統(tǒng)E-車間中點對點協(xié)議轉(zhuǎn)換器所存在的智能化水平低、可擴展能力差、通訊速率低的缺陷，在CAN/RS485/Ethernet現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于STM32F4控制芯片的車間通信系統(tǒng)，給出了CAN/RS485/Ethernet的通訊接口以及協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟件具體實現(xiàn)形式。針對傳統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器擴展能力的不足，該通信系統(tǒng)采取中間協(xié)議模型，增強了通信系統(tǒng)的可擴展能力。仿真和實驗結(jié)果表明通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的點對點的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、誤碼率低。由此得出，本通信系統(tǒng)更符合制造業(yè)通信的發(fā)展需要。

E-車間；通信協(xié)議；協(xié)議轉(zhuǎn)換器；STM32F4；中間協(xié)議模型

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的情況下，智能制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，以太網(wǎng)和總線技術(shù)在自動化車間生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。在智能制造的背景下，日本三菱公司提出了E-factory的理念，是一個可以最大化節(jié)約管理效能的智能化工廠。

本文在E-factory的基礎(chǔ)上，提出E-車間的基本概念，將來自不同廠商的設(shè)備通過傳感器和通信系統(tǒng)集成在一個平臺上的網(wǎng)絡(luò)化制造車間，通過一個通用化的通信系統(tǒng)實現(xiàn)不同廠商的設(shè)備之間的通信。

在系統(tǒng)各個不同的節(jié)點的通信過程中，由于不同的廠商選擇不同的通信協(xié)議以及總線形式，存在不同設(shè)備之間的通信困難等問題。本文將對這些問題進行深入分析并討論解決方法。

1 E-車間概述

E-車間是以車間為中心，面對電子商務(wù)的自動化和信息技術(shù)的集成，它通過電氣方式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將車間底層設(shè)備和公司管理層以及供應(yīng)鏈相連接，改造現(xiàn)有的過程控制和自動化系統(tǒng)以適應(yīng)電子商務(wù)的要求，支持透明的信息流，使供應(yīng)鏈上的成員可以實現(xiàn)協(xié)同計劃和最佳制造[1]。E-車間作為一種集管理、生產(chǎn)、銷售為一體的車間組織方式，在目前“互聯(lián)網(wǎng)+”的大環(huán)境下，非常具有推廣建設(shè)的價值E-車間總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 E-車間結(jié)構(gòu)示意圖

如圖車間是整個E-車間的中心環(huán)節(jié)，它通過以太網(wǎng)技術(shù)上層部門連接，通過總線技術(shù)與廠間設(shè)備相連接，在信息共享的前提下實現(xiàn)管理、生產(chǎn)、銷售一體化。

2 E-車間通信系統(tǒng)功能介紹

在車間的數(shù)據(jù)傳輸中存在異構(gòu)機，用于生產(chǎn)的機床、智能儀表、傳感器設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)采用不同形式的總線通訊。而設(shè)計、決策、計劃等部門采取以太網(wǎng)通訊，在傳統(tǒng)意義上不能通訊。因此需要一個兼容以上通訊方式的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)它們實時可靠的相互通訊。按照E-車間的架構(gòu)，E-車間通信系統(tǒng)可分為三個等級：廠間設(shè)備級、車間監(jiān)視級以及工廠管理級。如圖2所示。

圖中，E-車間通信系統(tǒng)分為三級，傳感器、生產(chǎn)設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)等為廠間設(shè)備級，車間能源效率監(jiān)控、簡單的生產(chǎn)調(diào)度等為車間監(jiān)視級，供應(yīng)鏈信息、決策部門、設(shè)計部門等為工廠管理及級。各級之間采用不同的總線結(jié)構(gòu)相互通信。

圖2 通信系統(tǒng)架構(gòu)

車間生產(chǎn)級采用RS485通信，國際電工委員會（EIA）在RS232的基礎(chǔ)上，為了完善其聯(lián)網(wǎng)以及抗干擾能力，制定了RS485相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。RS485和RS232都屬于串口通訊，它們協(xié)議相同，RS485采用差分電平來傳輸信息。相比于RS232，RS485具有傳輸距離遠，抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用在智能儀表等廠間設(shè)備上。車間監(jiān)視級采用CAN總線通信，CAN總線的總線仲裁機制和CRC校驗機制，使得CAN總線具有較好的實時性和可靠性，且它的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1M/s，并且組網(wǎng)非常方便，適合拓展，可以很好的匹配各個控制系統(tǒng)。工廠管理級采用以太網(wǎng)通訊，以太網(wǎng)作為現(xiàn)在主流的通信網(wǎng)絡(luò)，作為日常使用的通信網(wǎng)絡(luò)，但其與廠間設(shè)備之間無法實現(xiàn)正常通訊[7]。

車間生產(chǎn)級傳輸?shù)男畔⒁芽刂菩畔橹?，對速度要求不高，所以適合采用協(xié)議較為簡單的RS485通信；車間監(jiān)視級由于有一些必要的文本信息和視頻信息要傳輸，所以采用速度CAN總線了通訊；工廠管理級需要同外界互聯(lián)網(wǎng)相連接，采取以太網(wǎng)通信是一個最佳的選擇。本系統(tǒng)就將作為這三種通信方式的橋梁，將外界的一些信息及時的反映給車間，同時將車間的資源、加工進程、能源消耗等信息傳遞給管理層和數(shù)據(jù)庫，為E-車間提供一個暢通無阻的通信環(huán)境。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本通信系統(tǒng)設(shè)計主要包含以下三個要點：

第一：RS485與CAN總線之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證二者數(shù)據(jù)的相互傳輸；

第二：CAN總線與以太網(wǎng)之間通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，保證CAN總線與以太網(wǎng)之間無障礙的相互通訊；

第三：在通信的實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運行，做好電氣隔離，抗干擾等一系列安全性設(shè)計。

E-車間通信系統(tǒng)硬件包括STM32主控芯片、CAN收發(fā)器、RS485收發(fā)器以太網(wǎng)外設(shè)、電源模塊等。其中主控制器用于實現(xiàn)信息的提取和轉(zhuǎn)換，收發(fā)器的作用是實現(xiàn)信息的傳遞。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理框圖

3.1 主控芯片選擇

硬件電路以STM32F429為核心控制芯片，它是由ST公司基于ARM架構(gòu)開發(fā)的32位控制芯片，其內(nèi)部帶有以太網(wǎng)MAC內(nèi)核，支持外部PHY接口實現(xiàn)10M/100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過符合IEEE 802.3的MII接口與外部快速以太網(wǎng)通訊等功能；帶有基本擴展CAN外設(shè)，支持2.0A和B兩個版本的CAN協(xié)議，通信速率高達1Mb/s；自帶USART模塊，可配合MAX485實現(xiàn)差分電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。在通信速率上符合本系統(tǒng)的要求，考慮其強大的外設(shè)功能，本通信系統(tǒng)采用STM32F429芯片作為通信系統(tǒng)的主控制芯片。

3.2 CAN總線接口設(shè)計

單片機STM32F429芯片內(nèi)部集成了CAN2.0控制器，兼容2.0A和B兩個版本的CAN協(xié)議。CAN收發(fā)器選擇飛利浦公司生產(chǎn)的TJA1050 CAN收發(fā)器[9]。TJA1050作為PCA82C250的后繼產(chǎn)品，具有更好的電磁干擾能力且自帶電氣保護，工作電壓在4.75V～5.25V之間，聯(lián)網(wǎng)時我們采用ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，速率高達1M/S,在整個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都是對等的，它們通過總線仲裁機制來得到總線的使用權(quán)。差分信號線通過120歐姆的電阻接地。通過收發(fā)器，由CAN控制器發(fā)出的TTL電平被轉(zhuǎn)換成差分信號，在CAN總線上傳遞。CAN接口電路如圖4所示。

3.3 RS485總線接口設(shè)計

RS485也是通過差分信號線傳遞信息，在與單片機之間傳輸信息是存在著電平的差異，因而需要設(shè)計一個RS485總線通訊接口，將差分信號轉(zhuǎn)換為0～3.3V的TTL電平信號，這里我們選擇MAX485芯片，它具有硬件電路簡介穩(wěn)定的優(yōu)點，非常適合在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用。在接口設(shè)計方面，每一個通訊節(jié)點我們采取DB9的連接接口，取9根線上的2根，分別連接MAX485的A和B。RS485接口電路如圖5所示。

圖4 CAN接口電路

圖5 RS485接口電路

3.4 以太網(wǎng)外設(shè)電路設(shè)計

相比于CAN接口電路和RS485的接口電路，以太網(wǎng)的接口電路更加復(fù)雜。在本系統(tǒng)中，采用RMII接口連接以太網(wǎng)的MAC層和PHY層，由于STM32內(nèi)部自帶MAC，所以接口電路以PHY層為主。以太網(wǎng)外設(shè)芯片我們采用微芯公司的LAN8720，該芯片采用目前應(yīng)用最廣泛的100BASE-TX介質(zhì)系統(tǒng)，出于工業(yè)應(yīng)用的特殊場合，在100BASE-TX介質(zhì)組件的選擇上我們采用了屏蔽雙絞線電纜以及符合五類規(guī)范的8針RJ45型連接器。以太網(wǎng)外設(shè)電路如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)外設(shè)接口電路

3.5 電源模塊設(shè)計

電源模塊電壓輸出的穩(wěn)定準(zhǔn)確是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在工業(yè)現(xiàn)場大都是330V的工業(yè)用電以及220V的照明用電，電源模塊我們采用DC-DC的方案，本系統(tǒng)中的電源部分采取12V的直流輸入，經(jīng)過開關(guān)電源RT7272轉(zhuǎn)成5V的電壓用于除主控芯片意外的電路供電。RT7272的5V電壓輸出再通過AMS1086CD-3.3轉(zhuǎn)成3.3V的電壓供給主控芯片STM32F429使用。電源模塊電路圖如圖7所示。

4 協(xié)議分析

CAN總線協(xié)議、RS485總線協(xié)議以及以太網(wǎng)協(xié)議的開放性結(jié)構(gòu)使得協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)變得可行。同時，隨著現(xiàn)場總線的協(xié)議芯片和集成控制芯片的發(fā)展，使得協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的設(shè)計變得更加的簡潔。在本文的硬件設(shè)計部分，已經(jīng)為不同網(wǎng)絡(luò)提供了接口。下面介紹不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換框架。

圖7 電源模塊電路圖

4.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

在協(xié)議轉(zhuǎn)換的的過程中，最直接的方法是雙邊法，在每兩個協(xié)議之間都采取一個協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，由網(wǎng)絡(luò)A到網(wǎng)絡(luò)B，再由網(wǎng)絡(luò)B再到網(wǎng)絡(luò)A。假設(shè)需要互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)為N，則需要編寫的轉(zhuǎn)換程序為A2n，當(dāng)集成的網(wǎng)絡(luò)越來越多時，我們會發(fā)現(xiàn)要編寫的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序會越發(fā)的復(fù)雜，同時對系統(tǒng)的運算能力和存儲空間的要求會越來越大。以本系統(tǒng)為例，當(dāng)有三種不同的網(wǎng)絡(luò)加入到系統(tǒng)時的雙邊協(xié)議轉(zhuǎn)換模型如圖8所示。

圖8 雙邊協(xié)議模型

如圖，雙邊協(xié)議的轉(zhuǎn)換方式采取兩兩之間相互轉(zhuǎn)換，一個數(shù)字代表一個轉(zhuǎn)換路徑。當(dāng)通訊過程有3種不同的協(xié)議時，所需要的協(xié)議轉(zhuǎn)換路徑為6個。

考慮工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的多樣性和本通信系統(tǒng)將來具有的普遍適用性，不可能建立兩兩相互轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)換機制。針對雙邊協(xié)議轉(zhuǎn)換機制的局限性，本文提出一種中間協(xié)議模型，它由兩部分組成兩個字節(jié)的網(wǎng)間信息和兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息（網(wǎng)絡(luò)類型+數(shù)據(jù)）。其協(xié)議格式如圖9所示。

圖9 中間協(xié)議模型

以A、B代替兩種總線協(xié)議，我們需要編寫的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序即為A到網(wǎng)間，B到網(wǎng)間，網(wǎng)間到A，網(wǎng)間到B四種，有n種不同的網(wǎng)絡(luò)互連時，中間協(xié)議模型所需要編寫的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序為2n。兩種網(wǎng)絡(luò)模型所需編寫轉(zhuǎn)換程序個數(shù)與n的關(guān)系如式(1)所示。

由式(1)可得，當(dāng)接入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議種類越多時，中間協(xié)議模型的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來了。我們通過中間協(xié)議模型構(gòu)建一個多協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 多協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)示意圖

如圖，多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型的兩側(cè)表示加入到網(wǎng)絡(luò)不同的總線形式，總線數(shù)據(jù)首先進入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)的提取，通過相應(yīng)的協(xié)議商定表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)形式的中間協(xié)議模型。

協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)主要處理不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換問題，針對不同的源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議網(wǎng)關(guān)將根據(jù)中間協(xié)議模型將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的中間協(xié)議格式。

4.2 實時性要求

整個系統(tǒng)的實時性分為兩個方面，第一是現(xiàn)場總線的實時性，第二是以太網(wǎng)的實時性。作為傳統(tǒng)的工業(yè)總線，CAN總線以及RS485總線，它們的實時性在長時間的實際應(yīng)用中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用帶有沖突檢測的載波偵聽和多路訪問（CSMA/CD）技術(shù)[1]，這種通訊方式不具備工業(yè)以太網(wǎng)所具備的實時性要求。在設(shè)計時我們?yōu)榱私鉀Q這一問題，我們采用IEEE802.1Q協(xié)議，該協(xié)議在第二層交換機采用了信息優(yōu)先級機制。802.1Q標(biāo)簽也稱為VLAN標(biāo)簽或優(yōu)先級標(biāo)簽，帶有標(biāo)簽的以太網(wǎng)協(xié)議幀，Q-Tag有4個字節(jié)，前兩個字節(jié)為以太網(wǎng)類型標(biāo)識符，后兩個字節(jié)包括了3位的用戶優(yōu)先級，1位的CFI和12位的VLAN標(biāo)簽。3位用戶優(yōu)先級被分成0～7級，優(yōu)先等級逐漸降低。1位CFI用于區(qū)別以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)的類型[4]。

5 軟件設(shè)計

通訊系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是實現(xiàn)異構(gòu)機之間的通訊，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)兩種以上不同的通訊形式，本文主要闡述了CAN總線、RS485總線以及以太網(wǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化與傳輸。系統(tǒng)軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計實現(xiàn)的基礎(chǔ)上對整個系統(tǒng)的各個部分功能進行軟件編程實現(xiàn)。

5.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與地址分配

結(jié)合第二節(jié)硬件部分的敘述，軟件設(shè)計環(huán)節(jié)也主要針對通訊模塊進行。涉及的芯片主要有，STM32F4主控制芯片、SJA1050CAN收發(fā)器、MAX485收發(fā)器、LAN8720以太網(wǎng)外設(shè)等。各個芯片通過STM32F4主控芯片緊密的關(guān)聯(lián)在一起。

該通信系統(tǒng)的程序存儲器用的是STM32F4內(nèi)部自帶的512M（地址0x0000 0000-0x1FFF FFFF）的代碼區(qū)，足以滿足存儲MCU、LAN8720、TJA1050的初始化程序、內(nèi)部控制器控制驅(qū)動程序、協(xié)議轉(zhuǎn)換子程序、TCP/ IP簡化協(xié)議棧程序等。

數(shù)據(jù)存儲與程序存儲互相不關(guān)聯(lián)，與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的存儲器是STM32F4的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，不同的外設(shè)對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)寄存器（外設(shè)狀態(tài)位寄存器、控制寄存器等）。以CAN控制器為例，它有控制和狀態(tài)寄存器、郵箱寄存器、篩選器寄存器等。我們在提取CAN總線上的數(shù)據(jù)信息，就存儲在郵箱寄存器的數(shù)據(jù)寄存器中。CAN控制器外設(shè)的總線邊界地址在（0x4000 6400-0x4000 67FF），以0x4000 6400為基址，偏移地址0x01b8，為其接收FIFO的低位數(shù)據(jù)寄存器，偏移地址0x01bc，為其接收FIFO的高位數(shù)據(jù)寄存器。具體的寄存器地址分配如表1所示。

表1 系統(tǒng)外設(shè)存儲空間分配

5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個通信系統(tǒng)軟件設(shè)計采取結(jié)構(gòu)化和模塊化相結(jié)合的方式，分為主控程序和通信子程序。子程序又包含若干個模塊（以不同的通訊方式劃分）。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

如圖，主程序主要包含協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和初始化信息，而真正實現(xiàn)通信初始化、發(fā)送、接收、中斷、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能的程序都按照功能進行了封裝。主程序只負責(zé)調(diào)用相關(guān)的子函數(shù)。每個通信子程序都包含了其通信所必須的初始化程序、輸入輸出程序。當(dāng)主程序調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換程序（Conv_Protocol()）時，協(xié)議轉(zhuǎn)換程序就會調(diào)用通信模塊中相應(yīng)的函數(shù)的讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并開始轉(zhuǎn)換；當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序完成信息轉(zhuǎn)換后，它將轉(zhuǎn)換后的信息返回給相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，通信模塊將等待主程序調(diào)用相關(guān)指令數(shù)據(jù)發(fā)送。在轉(zhuǎn)換過程中采取中間協(xié)議模型所商定的協(xié)議格式進行轉(zhuǎn)換。

通信系統(tǒng)設(shè)計的流程圖如圖12所示，整個系統(tǒng)由main()函數(shù)開始運行，經(jīng)過系統(tǒng)初始化以及中斷初始化，系統(tǒng)初始化過程中分別調(diào)用MAC、CAN、以及USART的初始化子程序，對系統(tǒng)進行初始化配置。首先進行數(shù)據(jù)幀檢測，判斷是否有數(shù)據(jù)幀，如果沒有，則進入中斷等待，直到有數(shù)據(jù)幀進入。有數(shù)據(jù)幀進入之后，緊接著進行數(shù)據(jù)幀類型判斷，接著調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換子程序Conv_Protocol()，協(xié)議轉(zhuǎn)換完畢后調(diào)用數(shù)據(jù)接收子程序，傳送到通信子模塊各自的數(shù)據(jù)寄存器，等待接收完畢后，通過發(fā)送子函數(shù)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給特定的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

圖12 系統(tǒng)程序流程圖

6 結(jié)束語

本通信系統(tǒng)集成了CAN總線接口、RS485接口、

RS232接口、以太網(wǎng)接口各一個。設(shè)計完成之后，它作為E-車間通信的關(guān)鍵技術(shù)，它將車間生產(chǎn)信息（物料使用、車間設(shè)備使用率等）與外界互聯(lián)，實現(xiàn)了信息共享。在E-車間的推廣過程中起到了重要的作用。經(jīng)實際測試，CAN、RS485和以太網(wǎng)之間信息轉(zhuǎn)換效率高，在目前車間設(shè)備數(shù)量下，車間級網(wǎng)絡(luò)負載只在24.7%左右。在硬件設(shè)計方面采取了模塊化設(shè)計，便于后期拓展。在軟件設(shè)計方面，考慮到后期拓展的方便，在協(xié)議轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，采取了中間協(xié)議模型。為后期更多網(wǎng)絡(luò)的加入提供理論的可行性。在此基礎(chǔ)上，由于STM32F4具有較強的運行能力，后期還可以考慮加入ucos、freeRTOS[12]等實時系統(tǒng)，以此來提高一些低智能化設(shè)備的入網(wǎng)能力，更好的契合“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的趨勢。

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The communication system design and realization of E-shop

ZHANG Ye1,2, ZHU Hao1,2, ZHU Xiao-chun1,2

TP29

A

1009-0134(2016)12-0130-07

2016-09-28

江蘇省高校自然科學(xué)研究項目（14KJA460003）；南京工程學(xué)院科研創(chuàng)新基金（CKJB201503）

張葉（1992 -），男，江蘇人，碩士研究生，研究方向為機械制造自動化。