一種安檢機應用的多路多源通信板

李 飛

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技術有限公司， 北京 100048）

0 引言

隨著國家民航業(yè)大力發(fā)展， 機場安保系統(tǒng)供應廠家越來越多且越來越復雜化， 因此安檢設備需要和不同合作廠商進行數(shù)據(jù)交互。在許多場合，由于設備處理數(shù)據(jù)的形式不同，通信接口各有差異[1]，由于設備差異或者特有通信模塊的高成本，導致接口方式很難實現(xiàn)統(tǒng)一，為此本文設計了一種安檢機應用的多路多源通信板。 此通信板以STM32 為主控制器，結合各種通信芯片和控制芯片實現(xiàn)了對多路可配置GPIO、多路RS232/RS422 和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和邏輯控制， 滿足了安檢設備靈活對接多種接口的功能，液晶模塊對安檢設備的當前狀態(tài)進行顯示，方便現(xiàn)場糾錯和調(diào)試，降低了企業(yè)成本。

1 系統(tǒng)總體設計

多路多源通信板主要由32 路可配置GPIO 輸入、24路無源接點輸出、4 路串行接口（RS232/RS422）、1 路以太網(wǎng)通信接口 （W5100）、1 塊EEPROM 存儲器芯片以及1塊12864 液晶顯示模塊組成，通信板系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 通信板系統(tǒng)框圖

STM32 芯片作為多路多源通信板的核心控制器，主要控制協(xié)調(diào)各路串行信號和以太網(wǎng)信號的發(fā)送、接收、緩存處理以及當前狀態(tài)輸出和液晶顯示、安檢設備GPIO 信號的輸入/輸出狀態(tài)變化，最終實現(xiàn)上位機或合作廠商對安檢設備的狀態(tài)采集和控制等功能， 通信板實際應用系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 通信板實際應用系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 電源電路

根據(jù)各控制芯片的供電需求， 需要將輸入電壓24V 轉換為5V 和3.3V，為了提高轉換效率、增加電壓轉換的穩(wěn)定性，24V 轉5V 芯片選用明緯的SPUN02N-5 芯片，該芯片具有輸入輸出電壓隔離達到3KVDC、內(nèi)部集成短路/過載保護。5V 轉3.3V電源電路芯片選用低壓差線性穩(wěn)壓器LM1117[2]，結合LM1117芯片典型輸出特性、 芯片結對環(huán)境發(fā)熱系數(shù)等參數(shù)計算后選用芯片的封裝為SOT-223，電源電路圖見圖3。

圖3 電源電路圖

2.2 STM32 主控電路

通信板要求芯片處理速度快、 兼容性好且價格低廉，所以本設計選用的是ST 公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6 型號處理器， 此芯片搭載了性能優(yōu)越的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，嵌入了512K 字節(jié)FLASH 和64K 字節(jié)SRAM 存儲器，最高工作頻率可達72MHz，GPIO 通用接口達到112 個，具有多個可復用的SPI、I2C、串口，可搭載多種外設等一系列優(yōu)點[3]。本設計采用8M 無源晶振、啟動區(qū)域為主閃存存儲、調(diào)試下載用2 線制的SWD 方式，主控電路框圖見圖4。

圖4 主控電路框圖

2.3 GPIO 端口信號

在工業(yè)現(xiàn)場，信號通過無源接點交互具有抗干擾能力強、可靠性高，傳輸實時性好、 接線方式簡單、安全可靠等優(yōu)點。 此通信板也實現(xiàn)了無源接點的采集和輸出的功能。

2.3.1 GPIO 輸入信號

GPIO 輸入信號根據(jù)實際使用情況分兩種：

（1）采集安檢機（簡稱內(nèi)部信號）信號，由于此部分信號在機器內(nèi)部有穩(wěn)定性處理并且有確定電性， 根據(jù)被采集信號內(nèi)部定義，信號狀態(tài)為邏輯低電平有效，所以設計如圖5 電路進行信號采集，通過單向TVS[4]確保電路信號穩(wěn)定性，抑制瞬態(tài)干擾。為了提高對使用中通道的直觀顯示，在每個通道上添加LED 指示燈。 根據(jù)GPIO 端口采集的頻率，設計合理的RC 數(shù)值。

圖5 輸入信號電路示意圖1

（2）采集合作廠家（簡稱外部信號）信號，由于外部信號電平的不確定性， 需要將采集信號電平轉換為與主控芯片MCU 匹配的電平信號。由于工業(yè)現(xiàn)場存在各種干擾信號，所以必須阻止干擾信號進入通信板，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 光電耦合器（筒稱光耦）是常用的轉換隔離器件，在光耦工作過程中，光在其中發(fā)揮重要的載體作用，不受電磁等干擾，能夠保證進出信號的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)電氣隔離[5]。 依據(jù)設備使用實際環(huán)境，本設計采用TLP281光電耦合器以保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。 光耦隔離的輸入和輸出部分切記分別獨立供電，以免失去隔離意義。輸入信號電路示意圖見圖6。

圖6 輸入信號電路示意圖2

根據(jù)實際情況，外部輸入信號大致分為兩類：外部供電信號和無源接點信號。 外部輸入信號接線見表1。

表1 外部輸入信號接線

針對輸入信號的接線做如下簡單說明： 定義外部對接電纜為2 芯線，其中一根為A，另一根為B。

2.3.2 GPIO 輸出信號

本設計采用TI 公司的ULN2803A 達林頓晶體管陣列進行繼電器驅動[6]，ULN2803A 的設計與標準TTL 系列兼容，并且耐壓高，電流大。 繼電器采用歐姆龍G6DN 系列，G6DN 具有高達5A 的高開關容量， 通過采用縱橫雙觸頭設計具有更高的接觸可靠性， 同時符合加強絕緣的應用標準EN61010-1 和EN61010-2-201。 單路輸出電路示意圖見圖7。

圖7 單路輸出電路示意圖

2.4 RS232/RS422 串行通信

該電路RS232/RS422 信號中采用SIPEX 公司生產(chǎn)的SP3232E[7]雙路收發(fā)器和SP3490E 全雙工收發(fā)器進行交互電平信號轉換。 本次設計采用MCU 的一個串口同時連接RS232 和RS422 的方式，這樣既節(jié)省串口，又提高了對外接口的多樣性。 SP3232E 芯片優(yōu)點為在人體放電模式和IEC1000-4-2 空氣放電試驗模式下ESD 容差為±15kV。SP3490E 芯片為低功耗全雙工收發(fā)器， 符合RS422 串行協(xié)議規(guī)格，在有負載情況下最低10Mbps 通信速率。 為了提高通信的穩(wěn)定性和抗干擾性， 在串行信號輸入和接收端設計正確的TVS 管， 經(jīng)測試滿足設計規(guī)則并且設備的可靠性顯著提高。 單路串行通信電路示意圖，見圖8。

圖8 單路串行通信電路示意圖

2.5 液晶顯示部分

本設計顯示部分采用液晶顯示模塊LCD12864[8]，經(jīng)過合理性評估采用南京羅姆公司的WYM12864K14 型號，通信方式采用并行通信， 顯示方式為藍底白字方式且?guī)П彻猓@示示意圖見圖9。 本設計采用液晶模塊顯示當前設備的實時狀態(tài)，相比于以往的觀察輸入輸出點位方式，此種方式更加直觀明了， 方便現(xiàn)場調(diào)試人員去對接和分析問題。

圖9 顯示示意圖

2.6 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)以其開放性、可靠性、價格低、速度高、傳輸距離遠、多種傳輸介質可選、連接方式靈活多變、易于組網(wǎng)應用等優(yōu)勢得到廣泛應用[9]，工業(yè)現(xiàn)場越來越多的現(xiàn)場采集設備需要擴展網(wǎng)絡功能以實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

本設計采用WIZnet 公司的W5100 芯片，全硬件TCP/IP 協(xié)議棧是它的一項專利產(chǎn)品， 它簡化了傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，節(jié)約了芯片內(nèi)部資源等，同時內(nèi)部還集成了MAC和PHY，減少了工程師開發(fā)周期、降低開發(fā)成本[10]。

W5100 與主機進行通信支持直接并行總線、 間接并行總線以及高速SPI 接口3 種方式， 本設計W5100 采用直接并行總線方式，以太網(wǎng)驅動電路框圖見圖10，設計中采用13F-60FGYDPNW2 電磁隔離型RJ45 接口實現(xiàn)電氣隔離，W5100 電路示意圖見圖11。

圖10 以太網(wǎng)驅動電路框圖

圖11 W5100 電路示意圖

2.7 存儲EEPROM

本設計中EEPROM 芯片采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT24C02 型號芯片，此芯片和MCU 通信采用IIC 模式，IIC（Inter-Integrated Circuit）是現(xiàn)今主流的串行通訊協(xié)議的一種，在IIC 傳輸中，由數(shù)據(jù)線SDA 和時鐘SCL 構成的串行總線，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[11]。 這種傳輸方式具有交互信號線少，設計靈活等特點，電路示意圖見圖12。 每個通信板IP 默認寫入EEPROM，也可針對實際情況進行隨時修改，通信板IP 顯示示意圖見圖13。

圖12 IIC 電路示意圖

圖13 通信板IP 顯示示意圖

3 軟件程序編寫

由于涉及公司項目，軟件部分針對不同的使用模式用A/B/C 代替， 進行程序編寫，將當前設備狀態(tài)直觀的顯示在液晶面板上。 本設計軟件開發(fā)環(huán)境為Keil uVison5，采用C 語言編寫，秉承模塊化設計，提高程序的簡便性和可移植性。初始化部分包括：延遲函數(shù)、GPIO 口、映射、USART、LCD12864、IIC、中斷、定時器等。 網(wǎng)口部分采用TCP/IP 協(xié)議，通信板作為服務器模式端SERVER， 遠程控制端作為客戶端CLIENT進行交互通信。 系統(tǒng)軟件簡略流程示意圖見圖14。

圖14 系統(tǒng)軟件簡略流程示意圖

4 系統(tǒng)測試與分析

為了測試在不同模式下多源多通道板數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性，搭建實際環(huán)境進行測試。 實驗結果表明通信板長時間持續(xù)工作，輸入輸出均工作正常，串口和網(wǎng)口均可按照內(nèi)部邏輯正常工作。所以表明通信板穩(wěn)定可靠，此設計滿足應用要求。通信板實物照片見圖15，網(wǎng)口數(shù)據(jù)可以通過串口進行實時監(jiān)測，網(wǎng)口通信示意圖見圖16。

圖15 通信板實物照片

圖16 網(wǎng)口通信監(jiān)聽示意圖

5 結論

本文設計的以STM32 為核心的多路多源通信板，擁有較強的數(shù)據(jù)處理能力，同時實現(xiàn)了多串口通信，可配置的GPIO 信號采集和處理， 具有良好的可移植性等優(yōu)點。此接口板集成度高、穩(wěn)定性好、接線方式簡單、相對低成本，可以適用于復雜的工業(yè)現(xiàn)場，所以此多功能接口板有很高的使用價值，是一款高性價比很高的通信板。