總線結(jié)構(gòu)的模塊化嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡天立　肖培　宮鶴　穆葉

摘 ?要： 為解決現(xiàn)有嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺擴(kuò)展性和通用性差、僅適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問題，設(shè)計(jì)基于總線結(jié)構(gòu)的模塊化嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺。平臺整合了物聯(lián)網(wǎng)四層模型中的感知層和網(wǎng)絡(luò)層硬件單元，將硬件單元按照功能模塊化，提出基于CAN總線的模塊化架構(gòu)，并設(shè)計(jì)適用于該架構(gòu)的通信協(xié)議，使平臺在滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，可應(yīng)用于科研及實(shí)際項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中，平臺訓(xùn)練了學(xué)生的基礎(chǔ)技能和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)同創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作意識。在科研項(xiàng)目應(yīng)用中，基于平臺設(shè)計(jì)的模塊化采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過性能測試和穩(wěn)定性測試后，已投入實(shí)際使用。

關(guān)鍵詞： 嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺; 總線結(jié)構(gòu); 模塊化架構(gòu); 通信協(xié)議; 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 技能訓(xùn)練

中圖分類號： TN914?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0075?04

Design and implementation of modular embedded experimental

platform based on bus structure

HU Tianli1，2，3， XIAO Pei1，2，3， GONG He1，2，3， MU Ye1，2，3

（1. School of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China;

2. Jilin Internet of Things Technology Collaborative Innovation Center， Changchun 130118， China;

3. Jilin Intelligent Environmental Engineering Research Center， Changchun 130118， China）

Abstract： A modular embedded experimental platform based on bus structure is designed to solve the problems that the existing embedded teaching experiment platform has poor scalability and versatility， and is only suitable for experimental teaching. The hardware units of the sensing layer and network layer in the four?layer model of the Internet of Things are integrated on the platform， and the hardware units are modularized according to their functions. The modular architecture based on CAN bus is proposed， and the communication protocol suitable for the architecture is designed， so that the platform can be applied to the scientific research and practical projects while meeting the experimental teaching requirements. In the application of experimental teaching， students′basic skills and practical abilities are trained， and students′collaborative innovation abilities and teamwork awareness are cultivated on the platform. In the application of scientific research projects， the modular acquisition nodes and gateway nodes designed based on the platform have been put into practical application after performance testing and stability testing.

Keywords： embedded experimental platform; bus structure; modular architecture; communication protocol; experimental teaching; skill training

0 ?引 ?言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問題、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力必不可少的環(huán)節(jié)[1?2]。物聯(lián)網(wǎng)作為一門將通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能系統(tǒng)等綜合在一起的交叉學(xué)科[3]，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著更高的要求。

目前，教研人員為解決市場上物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)不合理，設(shè)備穩(wěn)定性差、效率低下、價(jià)格昂貴、維修困難、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜等問題，提出了許多解決方案[1?10]。但仍存在一些不足，如未充分考慮學(xué)生協(xié)同創(chuàng)新能力的構(gòu)建、團(tuán)隊(duì)合作意識和基礎(chǔ)技能教育的培養(yǎng)、模塊化思想的形成，且方案僅適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，擴(kuò)展性和通用性差，不能運(yùn)用于科研及實(shí)際項(xiàng)目。對此，本文通過整合物聯(lián)網(wǎng)模型的感知層和網(wǎng)絡(luò)層硬件單元，將硬件單元按照功能模塊化，設(shè)計(jì)了基于總線結(jié)構(gòu)的模塊化嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺。

1 ?實(shí)驗(yàn)平臺總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)四層模型包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層[11]。其中，感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，平臺層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲，應(yīng)用層提供各種應(yīng)用服務(wù)。圖1為本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺三層模型示意圖。模型將物聯(lián)網(wǎng)四層模型中的感知層和網(wǎng)絡(luò)層合并為感知網(wǎng)絡(luò)層，分為感知網(wǎng)絡(luò)層、平臺服務(wù)層、分析應(yīng)用層三層，并在感知網(wǎng)絡(luò)層中將傳感器、執(zhí)行器和通信模塊等硬件單元按照功能劃分為各個(gè)模塊，提出了一種基于總線結(jié)構(gòu)的模塊化架構(gòu)。

架構(gòu)中各模塊運(yùn)行獨(dú)立任務(wù)，基于控制局域網(wǎng)（Control Area Network，CAN）總線通信[12]，通過不同模塊的組合，可實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等角色的轉(zhuǎn)換，架構(gòu)中各類模塊及其功能如下：

1） 數(shù)據(jù)采集模塊（Data Acquisition Module，DAM）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，支持采用RS 485、RS 232、USART、模擬輸入、數(shù)字輸入等接口協(xié)議的傳感器。

2） 設(shè)備控制模塊（Device Control Module，DCM）：負(fù)責(zé)設(shè)備控制，可控制采用模擬量、數(shù)字量、PWM、RS 485等接口協(xié)議的設(shè)備。

3） 數(shù)據(jù)傳輸模塊（Data Transmission Module，DTM）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，支持ZigBee、Lora、BlueTooth、GSM、WiFi、4G、NB?IoT等通信方式，通過配置可接入上層平臺。

4） 電源時(shí)鐘模塊（Power Clock Module，PCM）：負(fù)責(zé)系統(tǒng)供電和提供系統(tǒng)時(shí)鐘，根據(jù)現(xiàn)場電源環(huán)境，可選用不同輸入的電源時(shí)鐘模塊。

5） 數(shù)據(jù)存儲模塊（Data Storage Module，DSM）：負(fù)責(zé)總線數(shù)據(jù)存儲，如存儲傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，存儲介質(zhì)支持SD卡、FLASH等。

6） 人機(jī)交互模塊（Human Interaction Module，HIM）：負(fù)責(zé)人機(jī)交互，支持LCD等方式顯示信息、語音播報(bào)信息、按鍵輸入等。

7） 邊緣計(jì)算模塊（Edge Calculation Module，ECM）：負(fù)責(zé)邊緣計(jì)算，減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，如通過分析采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動控制、可作為區(qū)塊鏈中的區(qū)塊、對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密等。架構(gòu)中其他模塊也可將剩余資源用于邊緣計(jì)算。

2 ?實(shí)驗(yàn)平臺硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺及各模塊使用ST公司的STM32F103CBT6作為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU），通過10?pin歐氏插座實(shí)現(xiàn)CAN通信、程序下載、總線喚醒及供電，CAN收發(fā)器芯片型號為JTA1050，圖2為實(shí)驗(yàn)平臺框圖，主要功能如下：

1） 板載8路歐氏插座接口，通過設(shè)計(jì)的串口下載切換電路能向接入的指定模塊下載程序，便于模塊間調(diào)試;

2） 板載的RS 485、RS 232、SD卡、撥碼開關(guān)、LED等電路連接方式與各模塊一致，基于實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)的程序可直接下載至對應(yīng)模塊;

3） 平臺支持JTAG和串口兩種下載程序方式，JTAG下載只能用于實(shí)驗(yàn)平臺，串口下載可用于實(shí)驗(yàn)平臺和接入的模塊;

4） 平臺引出主控所有I/O口，具有4路3.3 V和5 V電源接口，便于擴(kuò)展使用。

設(shè)計(jì)的各模塊分為CAN收發(fā)器、MCU、外設(shè)三部分，CAN收發(fā)器和MCU為基本部分，外設(shè)為擴(kuò)展部分，依據(jù)模塊類型而定。

3 ?實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?嵌入式軟件

為了提高模塊間的高效通信，結(jié)合RTOS[13]任務(wù)間通信和CANopen[14]分布式通信思想設(shè)計(jì)了適用于該架構(gòu)的IoT?CAN通信協(xié)議。IoT?CAN的設(shè)計(jì)目標(biāo)與RoboCAN一致，旨在擁有一個(gè)集中的、輕量的、可拓展的和開放的系統(tǒng)，通過基本功能接口快速地將任何傳感器、執(zhí)行器和通信模塊等硬件單元集成到系統(tǒng)架構(gòu)中[15]，支持設(shè)備熱拔插、設(shè)備可拓展、數(shù)據(jù)透傳、總線配置等功能。

圖3為模塊設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，分為通信層、接口層、硬件層、驅(qū)動層和任務(wù)層。通信層負(fù)責(zé)CAN總線通信的報(bào)文管理，接口層封裝了實(shí)現(xiàn)總線通信的接收、發(fā)送、中斷事件等接口，各模塊通過接口層接口進(jìn)行通信和協(xié)作，這兩層為IoT?CAN協(xié)議所在層。硬件層為模塊外設(shè)，如傳感器、執(zhí)行器等硬件單元;驅(qū)動層為硬件層提供驅(qū)動，如模塊的初始化、控制等;任務(wù)層根據(jù)模塊實(shí)際需求運(yùn)行獨(dú)立任務(wù)，如傳感器數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)、邊緣計(jì)算等任務(wù)。

3.2 ?固件下載管理軟件

固件下載管理軟件使用C#編寫，結(jié)合模塊化架構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，具有固件下載、固件管理、入網(wǎng)序列號管理三個(gè)功能模塊。固件下載功能使用串口向平臺或模塊下載程序;固件管理功能用于管理實(shí)驗(yàn)平臺各類型固件，基于FTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)固件的更新和上傳;入網(wǎng)序列號管理功能主要為架構(gòu)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)，入網(wǎng)序列號是系統(tǒng)通信唯一編碼，由軟件根據(jù)地區(qū)編碼、固件類型等信息分配。軟件還具有權(quán)限管理、軟件升級、設(shè)置保存等功能。

4 ?平臺實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

圖4a）為設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺和各模塊，模塊1～模塊3分別為數(shù)據(jù)采集模塊中的RS 485協(xié)議板、I2C協(xié)議板和RS 232協(xié)議板;模塊4為程序下載板，用于向架構(gòu)中各模塊下載程序;模塊5為總線板，用于連接各模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間通信;模塊6為數(shù)據(jù)傳輸模塊中的ZigBee通信板，用于同其他設(shè)備通信;模塊7為5 V電源時(shí)鐘板，可為總線提供電源以及系統(tǒng)時(shí)鐘;模塊8為設(shè)備控制板中的通用I/O板，可輸出數(shù)字信號和模擬信號;模塊9為實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺。圖4b）為基于實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)的環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過測試驗(yàn)證后，現(xiàn)已投入使用，節(jié)點(diǎn)可采集1路環(huán)境溫濕度、1路環(huán)境光照度、1路環(huán)境CO2濃度和3路土壤溫濕度，通過Lora通信板通信，數(shù)據(jù)經(jīng)由模塊化網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳至服務(wù)器。圖5為PC端固件下載管理軟件界面，用于平臺固件下載和固件管理。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，按照難度將實(shí)驗(yàn)劃分為初級實(shí)驗(yàn)、中級實(shí)驗(yàn)、高級實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)五類。初級實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建、固件燒寫、跑馬燈實(shí)驗(yàn)、按鍵讀取實(shí)驗(yàn)等，引導(dǎo)學(xué)生熟悉開發(fā)平臺以及開發(fā)流程;中級實(shí)驗(yàn)包括AD/DA實(shí)驗(yàn)、SHT11實(shí)驗(yàn)、DS18B20實(shí)驗(yàn)等，使學(xué)生熟悉開發(fā)工程結(jié)構(gòu)，了解協(xié)議通信原理;高級實(shí)驗(yàn)包括ZigBee通信實(shí)驗(yàn)、TCP通信實(shí)驗(yàn)、MQTT通信實(shí)驗(yàn)等，讓學(xué)生明白平臺與平臺、平臺與服務(wù)器之間如何通信;綜合實(shí)驗(yàn)包括IoT?CAN通信實(shí)驗(yàn)、采集節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、控制節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)等，通過綜合實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解本平臺的模塊之間通信機(jī)制和物聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)工作原理;拓展實(shí)驗(yàn)為學(xué)生自主發(fā)揮部分，學(xué)生可以基于協(xié)議接口，將其他硬件單元接入平臺，還可以根據(jù)提供的基本電路模板設(shè)計(jì)新模塊。

5 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計(jì)的總線結(jié)構(gòu)模塊化嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺，解決了現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的一些不足之處，可同時(shí)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研項(xiàng)目。該平臺整合了物聯(lián)網(wǎng)四層模型中的感知層和網(wǎng)絡(luò)層硬件單元，將各硬件單元按照功能模塊化，提出了基于CAN總線的模塊化架構(gòu)，并結(jié)合RTOS任務(wù)間通信和CANopen分布式通信思想設(shè)計(jì)了適用于該架構(gòu)的IoT?CAN通信協(xié)議，平臺中各模塊通過協(xié)議基本接口進(jìn)行通信及協(xié)作。

該平臺通過在信息技術(shù)學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐，訓(xùn)練了學(xué)生的基礎(chǔ)技能和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)同創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作意識。同時(shí)，該平臺也用于科研項(xiàng)目，縮減了項(xiàng)目研發(fā)周期，設(shè)計(jì)的模塊化采集節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過性能和穩(wěn)定性測試后，已投入實(shí)際使用。

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作者簡介：胡天立（1985—），男，吉林長春人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究。

肖 ?培（1996—），男，湖南邵陽人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究。