基于TCP/IP協(xié)議多通道雙向端口狀態(tài)互傳設(shè)備

摘? 要：文章提出了多通道雙向端口狀態(tài)互傳設(shè)備總體設(shè)計思路，敘述了多通道雙向端口狀態(tài)互傳設(shè)備系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計，提出了由32位單片機(jī)為主控，以太網(wǎng)控制器為通訊單元，POE有源器件控制器為設(shè)備電源模塊。提出了由TCP/IP協(xié)議傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式傳輸端口狀態(tài)信號的方法，并對方法進(jìn)行了論證。給出了該設(shè)備在現(xiàn)場中實(shí)際使用方法，在弱電系統(tǒng)工程中具有實(shí)際使用意義。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP協(xié)議

Abstract：The overall design idea of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment is presented. The hardware and software design of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment system is described. It is proposed that the 32-bit microcontroller is the main control，and the Ethernet controller is the communication unit. The POE（Power Over Ethernet）active device controller is a device power module. The method of replacing the traditional mode transmission port status signal by TCP/IP protocol transmission is proposed，and the method is demonstrated. The actual use method of the equipment in the field is given，which has practical significance in weak current system engineering.

Keywords：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP protocol

0? 引? 言

在弱電系統(tǒng)工程中，需要傳輸各種功能的開關(guān)狀態(tài)信號，如安防系統(tǒng)中的紅外探測信號，門禁系統(tǒng)中的門磁、開門信號。這種開關(guān)狀態(tài)信號傳統(tǒng)的傳輸方式有兩種：單向傳輸需要每個點(diǎn)拉一條銅質(zhì)雙絞線;雙向傳輸則需要兩條銅質(zhì)雙絞線。傳統(tǒng)的傳輸方式存在一些缺點(diǎn)。當(dāng)信號點(diǎn)數(shù)較多時，需要耗費(fèi)大量銅線，環(huán)保性低，布線困難;如果距離遠(yuǎn)，則容易受到干擾信號的干擾;對于一些舊的系統(tǒng)工程，增加信號點(diǎn)時，需要重新施工布線;若當(dāng)檢測的前端信號點(diǎn)與接收點(diǎn)被馬路隔開或者處于不同樓棟，布線施工更加困難。

為了解決傳統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)信號傳輸方式的缺點(diǎn)，需要一種新型的更有效率的端口狀態(tài)信號傳輸方式。廣州市康訊動力科技有限公司研發(fā)部開發(fā)的基于TCP/IP協(xié)議多通道雙向端口狀態(tài)互傳設(shè)備，可以有效地解決上述所提出的缺點(diǎn)。

1? 總體方案設(shè)計的分析

設(shè)備采用基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP協(xié)議）方式。TCP/IP協(xié)議，能夠在多個不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膮f(xié)議簇。它有以下特點(diǎn)：協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完全開放，可供用戶免費(fèi)使用，且獨(dú)立于特定的計算機(jī)硬件與操作系統(tǒng);獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)，可以運(yùn)行于廣域網(wǎng)，更適合于互聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)地址統(tǒng)一分配，網(wǎng)絡(luò)中每一設(shè)備和終端都具有一個唯一地址;高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，可以提供多種多樣可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

本設(shè)備基于TCP/IP協(xié)議的傳輸方式進(jìn)行開發(fā)，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）現(xiàn)在的商住大廈、醫(yī)護(hù)大樓、住宅小區(qū)等建筑物大部分都現(xiàn)實(shí)了綜合布線系統(tǒng)，基于TCP/IP協(xié)議傳輸方式的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)非常方便。

（2）現(xiàn)在市面上無線路由器、交換機(jī)價格低廉，可以利用無線路由器、交換機(jī)實(shí)現(xiàn)Wi-Fi信號傳輸，特別適合兩棟跨距離不能布線的大樓之間的信號傳輸。

本設(shè)計為雙向4通道開關(guān)狀態(tài)信號傳輸，分前端、后端兩臺配對設(shè)備配合使用，前端將本機(jī)4通道狀態(tài)信號采集，再發(fā)送給后端，后端也將本機(jī)4通道狀態(tài)信號采集，再發(fā)送給前端，兩臺配對設(shè)備使用TCP/IP協(xié)議傳輸方式，進(jìn)行雙向信號傳輸。

采用有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet，POE）供電方式，無須額外提供電源。POE指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

前端、后端設(shè)備的硬件電路完全相同。前端設(shè)備的輸入IN1～I(xiàn)N4端口狀態(tài)，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)過W5500以太網(wǎng)控制器處理，數(shù)據(jù)送到后端STM32F103C8T6微控制器譯碼，將前端輸入IN1～I(xiàn)N4端口狀態(tài)在后端輸出端口OUT1～OUT4對應(yīng)顯示。而后端輸入的IN1～I(xiàn)N4端口狀態(tài)，也通過STM32F103C8T6微控制器采集、編碼，W5500以太網(wǎng)控制器處理，通過網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)送到前端設(shè)備。

設(shè)備電源部分，POE交換機(jī)輸出的直流電源，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)入POE電源轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成設(shè)備需要的5.0 V，3.3 V電源電壓。

2? 系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1? 硬件設(shè)計

MCU（微控制器），采用STM32F103C8T6系列32位ARM微控制器做主控，用集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器W5500做網(wǎng)絡(luò)通信處理，電源轉(zhuǎn)換器使用德州儀器（TI）遵循IEEE 802.3af協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的POE有源器件控制器TPS23753PW芯片。

2.1.1? 主控電路

STM32F1xx系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex- M3。按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類：小容量（16 kB和32 kB）、中容量（64 kB和128 kB）、大容量（256 kB、384 kB和512 kB）。芯片集成定時器（Timer），支持USB- CAN/ADC/I2C/SPI/UART等多種外設(shè)功能。時鐘頻率達(dá)到72 MHz，為同類產(chǎn)品中性能最高。功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。內(nèi)部包含大容量只讀程序存儲器，配上豐富的引腳結(jié)構(gòu)并具有在線系統(tǒng)編程（ISP）功能，豐富的、高性能的配置，將會為程序的存儲、調(diào)試帶來極大的便利，故選用STM32F103C8T6為該系統(tǒng)的主控制電路。系統(tǒng)的主控制電路如圖2所示。

STM32F103C8T6微控制器編程下載以及在線調(diào)試，使用USB接口與電腦連接。電路原理參看圖2中U7（USB接口芯片CH340G）部分。U4為4路輸入信號隔離光耦TLP281-4;U5為外存儲器芯片ST24C02M1;U6為輸出繼電器驅(qū)動芯片ULN2003AD。

2.1.2? 以太網(wǎng)控制器

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應(yīng)用中拓展網(wǎng)絡(luò)連接。

W5500提供了串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI），從而更容易與外設(shè)微控制器（MCU）整合。W5500的全硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片將會降低MCU對于龐大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的負(fù)荷，使MCU可以高效的處理其他業(yè)務(wù)邏輯。同時也避免了MCU主程序受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的危險，大大優(yōu)化了MCU的網(wǎng)絡(luò)連接功能。以太網(wǎng)控制部分原理圖如圖3所示，其中UP2為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)變壓器，作用為網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備之間電氣隔離及分離POE電壓。

2.1.3? 設(shè)備電源

近年來，POE供電技術(shù)的發(fā)展勢頭越來越強(qiáng)勁。憑借簡化用電設(shè)備的安裝和部署、節(jié)能、安全等一系列優(yōu)勢，POE供電成為無線覆蓋、安防監(jiān)控以及智能電網(wǎng)等場景的新寵。POE技術(shù)能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。

一個完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（Power Sourcing Equipment，PSE）和受電端設(shè)備（Powered Device，PD）兩部分。本設(shè)備的電源屬于PD，PD的核心部分為電源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753APW，該芯片技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定。

為了使用方便，減少重復(fù)PCB設(shè)計，將電源部分設(shè)計成一個獨(dú)立的模塊。POE電源模塊原理圖如圖4所示，圖中的TR1為高頻電壓變換器，輸出電壓為5.0 V，電流為2.5 A;U4為三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，優(yōu)化PCB電路板設(shè)計，最終電源模塊如圖5所示。

2.1.4? 端口狀態(tài)采集及輸出

端口狀態(tài)的輸入為各種的干接點(diǎn)信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離輸入，有效地減少了對控制單元的干擾。經(jīng)過光耦隔離的信號，直接輸入到主控電路STM32 F103C8T6微控制器，經(jīng)主控電路編碼，由以太網(wǎng)控制器通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給配對設(shè)備。

輸出的端口狀態(tài)來源于配對的設(shè)備，主控電路對經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸來的配對設(shè)備的數(shù)據(jù)譯碼，將狀態(tài)顯示于輸出端口。輸出端口后續(xù)的其他使用接口設(shè)備分干接點(diǎn)和濕接點(diǎn)方式，采用繼電器方式輸出，起到完全電氣隔離，可以滿足其他接口設(shè)備干/濕接點(diǎn)的要求。

2.1.5? 看門狗電路

在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成各種寄存器和內(nèi)存的數(shù)據(jù)混亂，會導(dǎo)致程序指針錯誤，不在程序區(qū)，取出錯誤的程序指令等，都有可能會陷入死循環(huán)，程序的正常運(yùn)行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)正常工作，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。為了防止程序“死機(jī)”或進(jìn)入死循環(huán)，增加看門狗電路是非常必要的。STM32F103C8T6有兩種看門狗設(shè)置方式，一個是獨(dú)立看門狗，另外一個是窗口看門狗。本設(shè)計采用獨(dú)立看門狗方式對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.2? 軟件程序設(shè)計

W5500以太網(wǎng)控制器已經(jīng)集成了TCP/IP協(xié)議棧，不需要對其編程，只需要對MCU編寫程序。

設(shè)備啟動，MCU給W5500加載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，W5500完成初始化后，等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，收到配對設(shè)備傳來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，請求MCU接收數(shù)據(jù)，MCU發(fā)出許可指令后，W5500把數(shù)據(jù)發(fā)給MCU，MCU數(shù)據(jù)解碼，將配對設(shè)備的端口輸入狀態(tài)顯示到本機(jī)的對應(yīng)輸出端口。MCU再采集自己輸入端口狀態(tài)，把數(shù)據(jù)編碼，送W5500，由W5500通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到配對的設(shè)備。

3? 設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)行測試

3.1? 設(shè)備調(diào)試

使用C語言Keil平臺進(jìn)行編程，再將程序?qū)懙組CU。程序的調(diào)試及設(shè)備的設(shè)置，使用通用的TCP/IP調(diào)試工具。經(jīng)調(diào)試及設(shè)置參數(shù)后，前/后端正常工作運(yùn)行的狀態(tài)如圖6所示。

圖6左邊電路板為前端，右邊電路板為后端。前端輸入端IN1、IN2通過導(dǎo)線短接，后端輸出OUT1、OUT2繼電器閉合，指示燈點(diǎn)亮;后端輸入端IN3、IN4通過導(dǎo)線短接，前端輸出OUT3、OUT4繼電器閉合，指示燈點(diǎn)亮。

3.2? 試運(yùn)行測試

本公司有一個無人值守的倉庫位于公司辦公室對面的樓棟，樓棟之間相隔了一條馬路。倉庫安裝了聲光警報器及紅外探測器、門磁等傳感器，需要接入到位于辦公室的安防控制主機(jī)，因相隔一條馬路，布線施工困難。使用本設(shè)計的前/后端設(shè)備可以解決布線施工困難問題，具體實(shí)現(xiàn)如圖7端口狀態(tài)信號傳輸所示。

如圖7所示，位于倉庫的前端設(shè)備對三個紅外探測器及一個門磁的信號進(jìn)行采集，通過無線路由器傳輸給辦公室的后端設(shè)備，進(jìn)入安防控制主機(jī)。當(dāng)倉庫探測器有報警狀態(tài)信號發(fā)出，安防主機(jī)發(fā)出警報信號，輸入到后端通道IN1，經(jīng)無線路由器發(fā)送到倉庫前端，前端設(shè)備驅(qū)動聲光報警器發(fā)光、發(fā)聲。

4? 結(jié)? 論

本文對基于TCP/IP協(xié)議多通道雙向端口狀態(tài)互傳設(shè)備進(jìn)行了分析，利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行端口狀態(tài)信號傳輸，采用POE網(wǎng)絡(luò)供電方式。按傳統(tǒng)的端口狀態(tài)信號傳輸方式，至少要在倉庫與辦公室之間布5條屏蔽雙絞線，還要開挖馬路，但使用TCP/IP協(xié)議傳輸方式，只需要增加兩只普通的無線路由器，減少了施工難度，降低了成本，適用于需要傳輸端口狀態(tài)信號的各種弱電系統(tǒng)工程。

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作者簡介：劉木泉（1968—），男，漢族，廣東肇慶人，研發(fā)部工程師，研究方向：電子電源、自動化控制。