工業(yè)CGI現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫在尚+李慶達(dá)+米熱班古麗

【摘要】 為了實(shí)現(xiàn)對工廠環(huán)境監(jiān)控信息的事實(shí)傳輸，提出了一種基于STM32F103系列單片機(jī)的工業(yè)CGI現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)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(jìn)行編程，能夠完成對工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 工業(yè)CGI STM32F103系列 C語言 單片機(jī)

一、系統(tǒng)功能及智能網(wǎng)關(guān)部分功能概述

系統(tǒng)要求監(jiān)測的工廠環(huán)境信息和連接的PLC設(shè)備運(yùn)行信息能夠及時(shí)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?qū)崟r(shí)了解受監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并能夠?qū)σ恍?shí)時(shí)性要求不太強(qiáng)、不影響生產(chǎn)過程的簡單操作進(jìn)行控制。選用的芯片以及其他硬件設(shè)備具有可靠地穩(wěn)定性，下層節(jié)點(diǎn)具有適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的能力（寬泛的溫度適應(yīng)域，90%以上的空氣濕度，可靠地抗電磁干擾能力）。為了適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103系列。為提高系統(tǒng)的開放性及兼容性，下層設(shè)計(jì)成分層式，智能網(wǎng)關(guān)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流向，不再負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。為了更好地適應(yīng)工廠環(huán)境，通訊方式可選網(wǎng)線，485，ZIGBEE等，只能網(wǎng)關(guān)留有統(tǒng)一的接口，通訊方式封裝到板卡上，直接插到網(wǎng)關(guān)上。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件架構(gòu)與要求

經(jīng)過充分的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境嚴(yán)酷，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的能力。系統(tǒng)需要寬泛的溫度適應(yīng)域。在90%以上的空氣濕度（無凝水現(xiàn)象）的環(huán)境中，系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定的工作。另外系統(tǒng)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(tǒng)的抗干擾能力（雷擊、過電壓、過電流），系統(tǒng)需進(jìn)行避雷、防過壓過流設(shè)計(jì)。為確保系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行，減少故障的發(fā)生，系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103系列或飛思卡爾K60系列。工廠設(shè)備間通信協(xié)議多且復(fù)雜的特點(diǎn)，且一般PLC都支持MODBUS協(xié)議，為了通信統(tǒng)一，整個(gè)系統(tǒng)的通信協(xié)議都采用MODBUS 協(xié)議。為了兼容其他沒有采用MODBUS協(xié)議的設(shè)備，需制作一協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將其他通信協(xié)議轉(zhuǎn)化為MODBUS協(xié)議。為了更好地適應(yīng)工廠環(huán)境，通訊方式可選網(wǎng)線、485、ZIGBEE等多種通信方式以提高系統(tǒng)的開放性及兼容性。

2.2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(nèi)核，1.25DMips/ MHz，而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz，一流的外設(shè)， 1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度，低功耗，在72MHz時(shí)消耗36mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），待機(jī)時(shí)下降到2μA，最大的集成度，復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，簡單的結(jié)構(gòu)和易用的工具，STM32F10x參數(shù)，2V-3.6V供電，容忍5V的I/O管腳，優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式，帶喚醒功能的低功耗模式，內(nèi)部RC振蕩器，內(nèi)嵌復(fù)位電路，工作溫度范圍：，-40℃至+85℃或105℃，STM32F101性能，36MHz CPU多達(dá)16K字節(jié)SRAM 1x12位ADC溫度傳感器。

2.2.2電源部分

系統(tǒng)采用24伏穩(wěn)壓直流電源供電。系統(tǒng)設(shè)有三個(gè)接線端口，分別鏈接外部電源的正負(fù)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(hù)作用。智能網(wǎng)關(guān)主控需要3.3伏電源，通信模塊需要5伏電源。為提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)點(diǎn)性，通信模塊和主控模塊分開供電。分別采用兩個(gè)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(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更重要的是DC/DC電源降壓模塊隔離保護(hù)后續(xù)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(zhuǎn)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(gè)并聯(lián)的接口每個(gè)接口上有地址線、網(wǎng)卡接口、485接口和ZigBee。每個(gè)端口均可插入任何通訊接口，每個(gè)接口同時(shí)只允許一種接口插入，根據(jù)需要臨時(shí)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(tǒng)接口輸入輸出外設(shè)采用USR-TCP232-T以太網(wǎng)—串口模塊，該模塊能將TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)透明傳輸，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口模塊 USRTCP232-T是連接串口設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)的橋梁，借助此模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理和控制功能。

三、軟件架構(gòu)與要求

3.1智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

四、 結(jié)論

該工業(yè)CGI現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)采用具有高數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理的能力，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。系統(tǒng)具備可靠地抗電磁干擾能力和抗振動能力。 實(shí)際測試表明該測試系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、使用簡單等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。