冷藏集裝箱微環境控制系統的串行通信設計*

陽軍軍，張兵，曹廣忠，張保祥，周受欽

( 1.深圳大學 深圳市電磁重點控制實驗室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)

* 基金項目：國家科技支撐計劃(2014BAH23F04)；深圳市科技計劃項目(JCYJ20140418182819160)。

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陽軍軍1，張兵1，曹廣忠1，張保祥2，周受欽2

( 1.深圳大學 深圳市電磁重點控制實驗室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)

* 基金項目：國家科技支撐計劃(2014BAH23F04)；深圳市科技計劃項目(JCYJ20140418182819160)。

摘要:針對傳統冷藏集裝箱環境控制系統的各種參數與環節由單一控制器集中控制，系統結構復雜、非模塊化、安裝維護困難等問題，設計了基于STM32微控制器的冷藏集裝箱微環境控制系統的串行通信子系統。介紹了該串行通信子系統的構成，分析了基幀識別、收發處理、輪詢機制、有限狀態機等設計方法及程序實現。測試結果表明，該系統實現了冷藏集裝箱環境控制系統的分散控制與集中管理，簡化了系統結構，方便維護，且效果良好。

關鍵詞:冷藏集裝箱微環境控制；串行通信；STM32微控制器；分散控制集中管理

引言

傳統冷藏集裝箱環境控制系統中各種參數與環節由單一控制器集中控制，系統結構復雜、非模塊化、安裝維護困難[1]?，F代工業提倡分散控制、集中管理，現場總線技術應運而生，其中串行通信因其占用資源少、布線方便被廣泛應用于工業控制中[2]。將串行通信技術與冷藏集裝箱環境控制系統相結合，實現冷藏集裝箱內各參數的分散控制與集中管理，可降低控制系統的復雜度，使系統模塊化，利于安裝維護。STM32系列微控制器是意法半導體公司生產的基于ARM Crotex-M3 內核的32位微控制器，它具有接口資源豐富、內部存儲容量大、最高時鐘頻率達72 MHz等特點[3]，適合用作基于串行通信控制系統的控制器。

1系統結構

冷藏集裝箱微環境控制系統即實現對冷藏集裝箱內部溫度、濕度、空調風量、內部氣壓進行調節的系統，它的串行通信網絡部分系統結構圖如圖1所示。

該控制系統以STM32F103VET6(以下簡稱STM32)微控制器為通信與控制的核心，使用STM32微控制器的4個串行通信接口組成了控制網絡。其中串行通信接口UART1用于與車載通信機進行通信,以實現遠程后臺監控功能；串行通信接口UART2用于與溫濕度、壓力風量傳感器通信以獲取傳感器數據；串行通信接口UART3用于與壓力風機驅動器和風量控制變頻器通信以實現對壓力和風量的控制；串行通信接口UART4用于與開利冷機通信，以實現對溫度的控制。

圖1　冷藏集裝箱微環境控制系統的串行通信結構圖

STM32微控制器與車載通信機使用RS485總線連接，通信協議為私有協議。微控制器與傳感器、壓力風機驅動器、風量控制變頻器均使用RS485總線連接，使用ModBus RTU協議。微控制器與開利冷機使用RS232總線連接，通信協議是開利冷機私有協議?？梢娎洳丶b箱微環境控制系統為典型的多總線、多協議、主從機一體的通信控制系統。

2通信的幀識別與組裝

串行通信中使用的通信協議決定了通信幀的格式，通信幀的識別就是根據通信協議,判斷識別接收到的數據是否為一個完整有效的通信幀。因冷藏集裝箱微環境控制系統中串行通信的通信協議種類繁多，存在私有協議(如冷藏集裝箱微環境控制系統中的開利冷機與車載通信機)。為了不涉及具體某種通信協議和方便描述，本文將串行通信幀格式描述為如圖2所示的一般格式[4]。

圖3　數據幀識別狀態轉移圖

圖2串行通信幀的一般結構

通信數據段是順序連續被發送和接收的，因而對于數據幀的識別過程，就是按照圖2所示的數據幀格式分段，從幀頭到幀尾依次識別的過程。狀態轉移圖如圖3所示，整個識別過程分為7個狀態進行。

對于STM32微控制器幀識別處理，則是放在接收中斷程序中，可以方便進行接收一段、識別一段，實現圖3所示的狀態轉移關系。同時，由圖3所示的轉移關系可知，只有當接收數據從幀頭到幀尾都符合要求，接收的數據才算一幀完整有效的數據，而接收幀內任意一段數據有誤，則之前接收到的數據都會被拋棄，接收狀態會從幀頭處重新開始。

通信幀的組裝，即將需要發送的數據按照協議格式組成一幀或多幀數據。對于STM32微控制器來說，通信幀的組裝就是編程將幀頭到幀尾的數據段按照幀格式填充到發送緩沖區。

3收發處理

3.1主機模式下的收發處理

在上述冷藏集裝箱微環境控制控制系統中，STM32微控制器作為主控制器與傳感器、開利冷機、變頻器、風機驅動器等通信時，STM32微控制器是通信主機，主持通信的收發調度。在冷藏集裝箱微環境控制系統設計中，因通信從機數量多而且協議多樣，為保證通信有序的同時提高控制器效率，本設計中控制器對從機的通信收發完全采用中斷加有限狀態機方式。

圖4　數據發送操作流程圖

對于數據發送的具體操作：當控制器需發送數據給從機時，在STM32微控制器的主程序中啟動數據第一字節的發送，并填寫應發送的字節數。隨即打開發送完成中斷，后續字節將在發送完成中斷中發送并計數，直至發送計數值等于應發送數據值。數據發送操作的流程圖如圖4所示。

數據接收操作與幀識別操作一起進行，都是在STM32微控制器的接收中斷中完成。具體為：STM32微控制器接收到從機發來的數據而發生接收中斷，中斷程序中暫存接收到的數據并進行幀識別,即判斷此次接收到的數據是否符合通信協議要求的數據幀段格式，如果符合，則接收計數值加1,并保存此次接收的數據;否則接收計數值清0,并拋棄此前保存的數據，幀識別從幀頭處重新開始，如此直至接收到計數值等需要接收的數據量。

圖5　數據接收操作流程

應注意的是，這里需要接收的數據量一般是根據接收到的數據長度段的值計算出來的。數據接收操作流程如圖5所示。

對于整個通信收發的調度，本設計采用有限狀態機的方式。狀態轉移圖如圖6所示，通信收發過程被分為6個狀態，分別是發送準備狀態、發送中狀態、接收狀態、通信故障處理狀態、接收處理狀態、間隔等待狀態。

圖6　主機模式下通信收發調度狀態轉移圖

主機模式下默認狀態就是發送準備狀態，此狀態下STM32微控制器需要發送數據時可以進入發送中狀態；發送完成后微控制器開始等待接收從機的回應，即進入接收狀態；此時如果STM32微控制器接收到有效數據(即接收完成)，若STM32微控制器接收的數據無效或者接收等待時間超時，則STM32微控制器進入通信故障處理狀態，通信故障處理完成,則進入發送準備狀態開始下一輪數據發送。接收完成后，STM32微控制器處理從機回應的數據，然后進入間隔等待狀態直到等待計時完成，STM32微控制器又進入發送準備狀態，開始下一輪收發過程。

在主機模式下通信收發狀態中，數據接收超時計時是由定時器完成的。定時器在發送完成后開始計時，STM32微控制器接收到有效數據則停止，否則一直計時到超時。間隔等待狀態的插入是為了在每次收發中加入等待延時，防止主機發送數據幀過快使從機無法響應，等待間隔時間可以根據從機需要進行調整。

3.2從機模式下的收發處理

在上述冷藏集裝箱微環境控制控制系統中，STM32微控制器與車載通信機通信時，微控制器是通信從機，車載通信機是通信主機。作為通信從機，微控制器只需接收通信主機命令然后做出相應的回應即可。從機模式下微控制器通信處理可分如下3個狀態：接收狀態、接收處理狀態、發送狀態等。其狀態轉移如圖7所示，從機模式下默認狀態為接收狀態，STM32微控制器此時收到主機發送的有效數據便進入接收處理狀態以處理接收到的數據。完成接收數據的處理后STM32微控制器進入發送狀態，發送數據響應主機，發送完成，STM32微控制器再次進入接收狀態開始下一輪收發處理。

圖7　從機模式下通信收發調度狀態轉移圖

4通信輪詢機制

圖8　通信輪詢操作流程圖

在冷藏集裝箱微環境控制系統串行通信中，單個串行通信接口并不僅與一個執行器或者傳感器通信(如串行通信接口2與10個傳感器通信，串行通信接口3與兩類執行器通信)，且單個傳感器或執行通信數據不只一幀，因而微控制器必須有適當的輪詢機制才能保證每個傳感器或執行器均能正常通信連接。

在上述冷藏集裝箱微環境控制系統中，采用了內部通信幀輪詢與外部設備輪詢相結合的輪詢機制。輪詢操作流程如圖8所示，即STM32微控制器先按每個傳感器或者執行器通信一次需要的數據幀數，完成收發單個設備通信的所有數據，即實現設備內部的幀輪詢。單個設備通信數據收發完成則進入下一個設備，如此直至單個通信接口上的所有設備完成通信便開始下一輪輪詢操作。

5程序實現

從機模式下的收發狀態機調度程序略——編者注。

收發狀態機調度程序主要實現圖6 所示的主機模式下通信收發調度狀態轉移：

void SCI2_SensorTask(void){

static uint16_t u8_cnt = 0;

//SCI2傳感器通信調度

SCI2_CommScheduleMachine();

//SCI2收發調度

switch(u8_SCI2_StateMachine){

//發送準備狀態

case SCI2_TXREADLY:

SCI2_TxTask();

break;

//接收失敗狀態(超時或者出錯)

case SCI2_RXFAILED:

SCI2_FailureTask();

break;

//接收成功狀態

case SCI2_RXOK:

SCI2_RxTask();

break;

//接收轉發送中間狀態

case SCI2_RXTOTX:

u8_cnt++;

if(u8_cnt >= 20000){

u8_cnt = 0;

u8_SCI2_StateMachine

= SCI2_TXREADLY;

}

break;

default:

break;

}

}

6現場應用

如圖9所示，本文所述的基于STM32微控制器的冷藏集裝箱微環境控制系統最終以控制箱的形式外掛在冷藏集裝箱的前端。控箱內設備安裝布局略——編者注。

圖9　冷藏集裝箱微環境控制箱箱內設備

在整個系統的測試、應用中，基于STM32微控制器的串行通信子系統能正常獲取傳感器數據、向執行器發送命令數據，且通信質量良好，無丟幀、中斷等現象，實現了冷藏集裝箱微環境控制系統的分散控制集中管理。

結語

以STM32微控制器為核心的冷藏集裝箱微環境控制系統串行通信設計，在實際測試、應用中通信質量及速度都取得了令人滿意的效果。同時，本文所述的幀識別、收發處理、輪詢機制等設計方法對于其他基于串行通信控制、監測場合均適用，可以很好地移植應用。基于ARM Crotex-M3內核的STM32微控制器在串行通信控制中的應用為冷藏集裝箱環境控制系統的集散控制提供了一種新方案。

參考文獻

[1] 趙曉峰，朱瑞祥，馬輝，等.基于ARM的農產品冷藏車環境檢測系統設計[J].傳感器與微系統，2009(2)：98-100.

[2] 孫漢卿，吳海波.現場總線技術[M].北京：國防工業出版社，2014.

[3] 黃智偉，王兵，朱衛華.STM32F32位ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

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[5] 蔣明柯，皮佑國.數控系統中RS485串行通信協議的設計[J].組合機床與自動化加工技術，2013(5)：23-26.

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[7] 李明偉，郭廣峰，黃鴿.PIC單片機與觸摸屏串行通信的modbus協議實現[J].電子技術應用，2005(9)：40-42.

陽軍軍、張兵、張保祥(碩士)，主要研究方向為嵌入式計算機技術；曹廣忠(教授)，主要研究方向為先進控制理論及其應用、磁懸浮技術、嵌入式計算機技術；周受欽(博士)，主要研究方向為物聯網技術、嵌入式技術。

Yang Junjun1,Zhang Bing1,Cao Guangzhong1,Zhang Baoxiang2,Zhou Shouqin2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control,Shenzhen University,Shenzhen 518052,China;

2.CIMC Intelligent Technology Co.,Ltd.)

Abstract：The various parameters and the links centrally are controlled by a single controller in the traditional reefer container environment control system,so the system structure is complex,non modular,and is difficult to install and maintain.So a serial communication subsystem of the micro environmental control system in reefer container based on STM32 microcontroller is designed.In the paper,the structure of the system is introduced,the design methods and program implementation of frame identify,sending and receiving processing,polling mechanism,finite state machine of the communication subsystem is analyzed.The test results prove that the system achieves decentralized control and centralized management in the environmental control system in reefer container,it simplifies the system architecture and makes it more convenient to maintain.

Key words:micro environmental control system in reefer container;serial communication;STM32 microcontroller;decentralized control and centralized management

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-07-10)

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A