E-車間通信系統的設計與實現

張 葉，朱 昊，朱曉春

（1.南京工程學院，南京 211100；2.先進數控技術江蘇省重點建設實驗室，南京 211100）

E-車間通信系統的設計與實現

張 葉1,2，朱 昊1,2，朱曉春1,2

（1.南京工程學院，南京 211100；2.先進數控技術江蘇省重點建設實驗室，南京 211100）

為解決傳統E-車間中點對點協議轉換器所存在的智能化水平低、可擴展能力差、通訊速率低的缺陷，在CAN/RS485/Ethernet現有協議的基礎上，設計了一個基于STM32F4控制芯片的車間通信系統，給出了CAN/RS485/Ethernet的通訊接口以及協議轉換的軟件具體實現形式。針對傳統協議轉換器擴展能力的不足，該通信系統采取中間協議模型，增強了通信系統的可擴展能力。仿真和實驗結果表明通信系統數據傳輸速率明顯優于傳統的點對點的協議轉換器，且數據傳輸準確、誤碼率低。由此得出，本通信系統更符合制造業通信的發展需要。

E-車間；通信協議；協議轉換器；STM32F4；中間協議模型

0 引言

在互聯網高速發展的情況下，智能制造技術得到了快速發展，以太網和總線技術在自動化車間生產中得到了廣泛應用。在智能制造的背景下，日本三菱公司提出了E-factory的理念，是一個可以最大化節約管理效能的智能化工廠。

本文在E-factory的基礎上，提出E-車間的基本概念，將來自不同廠商的設備通過傳感器和通信系統集成在一個平臺上的網絡化制造車間，通過一個通用化的通信系統實現不同廠商的設備之間的通信。

在系統各個不同的節點的通信過程中，由于不同的廠商選擇不同的通信協議以及總線形式，存在不同設備之間的通信困難等問題。本文將對這些問題進行深入分析并討論解決方法。

1 E-車間概述

E-車間是以車間為中心，面對電子商務的自動化和信息技術的集成，它通過電氣方式和網絡技術將車間底層設備和公司管理層以及供應鏈相連接，改造現有的過程控制和自動化系統以適應電子商務的要求，支持透明的信息流，使供應鏈上的成員可以實現協同計劃和最佳制造[1]。E-車間作為一種集管理、生產、銷售為一體的車間組織方式，在目前“互聯網+”的大環境下，非常具有推廣建設的價值E-車間總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 E-車間結構示意圖

如圖車間是整個E-車間的中心環節，它通過以太網技術上層部門連接，通過總線技術與廠間設備相連接，在信息共享的前提下實現管理、生產、銷售一體化。

2 E-車間通信系統功能介紹

在車間的數據傳輸中存在異構機，用于生產的機床、智能儀表、傳感器設備、執行機構采用不同形式的總線通訊。而設計、決策、計劃等部門采取以太網通訊，在傳統意義上不能通訊。因此需要一個兼容以上通訊方式的通信系統來實現它們實時可靠的相互通訊。按照E-車間的架構，E-車間通信系統可分為三個等級：廠間設備級、車間監視級以及工廠管理級。如圖2所示。

圖中，E-車間通信系統分為三級，傳感器、生產設備、執行機構等為廠間設備級，車間能源效率監控、簡單的生產調度等為車間監視級，供應鏈信息、決策部門、設計部門等為工廠管理及級。各級之間采用不同的總線結構相互通信。

圖2 通信系統架構

車間生產級采用RS485通信，國際電工委員會（EIA）在RS232的基礎上，為了完善其聯網以及抗干擾能力，制定了RS485相關標準。RS485和RS232都屬于串口通訊，它們協議相同，RS485采用差分電平來傳輸信息。相比于RS232，RS485具有傳輸距離遠，抗干擾能力強等優點，廣泛的應用在智能儀表等廠間設備上。車間監視級采用CAN總線通信，CAN總線的總線仲裁機制和CRC校驗機制，使得CAN總線具有較好的實時性和可靠性，且它的數據傳輸速率高達1M/s，并且組網非常方便，適合拓展，可以很好的匹配各個控制系統。工廠管理級采用以太網通訊，以太網作為現在主流的通信網絡，作為日常使用的通信網絡，但其與廠間設備之間無法實現正常通訊[7]。

車間生產級傳輸的信息已控制信息為主，對速度要求不高，所以適合采用協議較為簡單的RS485通信；車間監視級由于有一些必要的文本信息和視頻信息要傳輸，所以采用速度CAN總線了通訊；工廠管理級需要同外界互聯網相連接，采取以太網通信是一個最佳的選擇。本系統就將作為這三種通信方式的橋梁，將外界的一些信息及時的反映給車間，同時將車間的資源、加工進程、能源消耗等信息傳遞給管理層和數據庫，為E-車間提供一個暢通無阻的通信環境。

3 硬件系統設計

本通信系統設計主要包含以下三個要點：

第一：RS485與CAN總線之間通信協議的轉換，保證二者數據的相互傳輸；

第二：CAN總線與以太網之間通信網關的設計，保證CAN總線與以太網之間無障礙的相互通訊；

第三：在通信的實現的基礎上，為保證系統穩定地運行，做好電氣隔離，抗干擾等一系列安全性設計。

E-車間通信系統硬件包括STM32主控芯片、CAN收發器、RS485收發器以太網外設、電源模塊等。其中主控制器用于實現信息的提取和轉換，收發器的作用是實現信息的傳遞。系統硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 系統硬件原理框圖

3.1 主控芯片選擇

硬件電路以STM32F429為核心控制芯片，它是由ST公司基于ARM架構開發的32位控制芯片，其內部帶有以太網MAC內核，支持外部PHY接口實現10M/100Mbit/s的數據傳輸速率，通過符合IEEE 802.3的MII接口與外部快速以太網通訊等功能；帶有基本擴展CAN外設，支持2.0A和B兩個版本的CAN協議，通信速率高達1Mb/s；自帶USART模塊，可配合MAX485實現差分電平到TTL電平的轉換。在通信速率上符合本系統的要求，考慮其強大的外設功能，本通信系統采用STM32F429芯片作為通信系統的主控制芯片。

3.2 CAN總線接口設計

單片機STM32F429芯片內部集成了CAN2.0控制器，兼容2.0A和B兩個版本的CAN協議。CAN收發器選擇飛利浦公司生產的TJA1050 CAN收發器[9]。TJA1050作為PCA82C250的后繼產品，具有更好的電磁干擾能力且自帶電氣保護，工作電壓在4.75V～5.25V之間，聯網時我們采用ISO11898標準，網絡的拓撲結構為環形網絡，速率高達1M/S,在整個網絡上的節點都是對等的，它們通過總線仲裁機制來得到總線的使用權。差分信號線通過120歐姆的電阻接地。通過收發器，由CAN控制器發出的TTL電平被轉換成差分信號，在CAN總線上傳遞。CAN接口電路如圖4所示。

3.3 RS485總線接口設計

RS485也是通過差分信號線傳遞信息，在與單片機之間傳輸信息是存在著電平的差異，因而需要設計一個RS485總線通訊接口，將差分信號轉換為0～3.3V的TTL電平信號，這里我們選擇MAX485芯片，它具有硬件電路簡介穩定的優點，非常適合在工業現場環境下使用。在接口設計方面，每一個通訊節點我們采取DB9的連接接口，取9根線上的2根，分別連接MAX485的A和B。RS485接口電路如圖5所示。

圖4 CAN接口電路

圖5 RS485接口電路

3.4 以太網外設電路設計

相比于CAN接口電路和RS485的接口電路，以太網的接口電路更加復雜。在本系統中，采用RMII接口連接以太網的MAC層和PHY層，由于STM32內部自帶MAC，所以接口電路以PHY層為主。以太網外設芯片我們采用微芯公司的LAN8720，該芯片采用目前應用最廣泛的100BASE-TX介質系統，出于工業應用的特殊場合，在100BASE-TX介質組件的選擇上我們采用了屏蔽雙絞線電纜以及符合五類規范的8針RJ45型連接器。以太網外設電路如圖6所示。

圖6 以太網外設接口電路

3.5 電源模塊設計

電源模塊電壓輸出的穩定準確是整個系統穩定運行的關鍵，在工業現場大都是330V的工業用電以及220V的照明用電，電源模塊我們采用DC-DC的方案，本系統中的電源部分采取12V的直流輸入，經過開關電源RT7272轉成5V的電壓用于除主控芯片意外的電路供電。RT7272的5V電壓輸出再通過AMS1086CD-3.3轉成3.3V的電壓供給主控芯片STM32F429使用。電源模塊電路圖如圖7所示。

4 協議分析

CAN總線協議、RS485總線協議以及以太網協議的開放性結構使得協議轉換網關變得可行。同時，隨著現場總線的協議芯片和集成控制芯片的發展，使得協議轉換網關的設計變得更加的簡潔。在本文的硬件設計部分，已經為不同網絡提供了接口。下面介紹不同協議之間的轉換框架。

圖7 電源模塊電路圖

4.1 協議轉換模型

在協議轉換的的過程中，最直接的方法是雙邊法，在每兩個協議之間都采取一個協議轉換程序，由網絡A到網絡B，再由網絡B再到網絡A。假設需要互聯的網絡為N，則需要編寫的轉換程序為A2n，當集成的網絡越來越多時，我們會發現要編寫的協議轉換程序會越發的復雜，同時對系統的運算能力和存儲空間的要求會越來越大。以本系統為例，當有三種不同的網絡加入到系統時的雙邊協議轉換模型如圖8所示。

圖8 雙邊協議模型

如圖，雙邊協議的轉換方式采取兩兩之間相互轉換，一個數字代表一個轉換路徑。當通訊過程有3種不同的協議時，所需要的協議轉換路徑為6個。

考慮工業現場總線協議的多樣性和本通信系統將來具有的普遍適用性，不可能建立兩兩相互轉換的協議轉換機制。針對雙邊協議轉換機制的局限性，本文提出一種中間協議模型，它由兩部分組成兩個字節的網間信息和兩個字節的數據信息（網絡類型+數據）。其協議格式如圖9所示。

圖9 中間協議模型

以A、B代替兩種總線協議，我們需要編寫的協議轉換程序即為A到網間，B到網間，網間到A，網間到B四種，有n種不同的網絡互連時，中間協議模型所需要編寫的協議轉換程序為2n。兩種網絡模型所需編寫轉換程序個數與n的關系如式(1)所示。

由式(1)可得，當接入到網絡協議種類越多時，中間協議模型的優勢便體現出來了。我們通過中間協議模型構建一個多協議轉換網關。其結構如圖10所示。

圖10 多協議轉換網關示意圖

如圖，多協議轉換模型的兩側表示加入到網絡不同的總線形式，總線數據首先進入數據緩沖區進行數據的提取，通過相應的協議商定表轉換成相應形式的中間協議模型。

協議轉換網關主要處理不同協議之間的轉換問題，針對不同的源網絡協議，協議網關將根據中間協議模型將其轉換成相應的中間協議格式。

4.2 實時性要求

整個系統的實時性分為兩個方面，第一是現場總線的實時性，第二是以太網的實時性。作為傳統的工業總線，CAN總線以及RS485總線，它們的實時性在長時間的實際應用中已經得到了很好的體現。

傳統的以太網采用帶有沖突檢測的載波偵聽和多路訪問（CSMA/CD）技術[1]，這種通訊方式不具備工業以太網所具備的實時性要求。在設計時我們為了解決這一問題，我們采用IEEE802.1Q協議，該協議在第二層交換機采用了信息優先級機制。802.1Q標簽也稱為VLAN標簽或優先級標簽，帶有標簽的以太網協議幀，Q-Tag有4個字節，前兩個字節為以太網類型標識符，后兩個字節包括了3位的用戶優先級，1位的CFI和12位的VLAN標簽。3位用戶優先級被分成0～7級，優先等級逐漸降低。1位CFI用于區別以太網和令牌環網的類型[4]。

5 軟件設計

通訊系統主要完成的任務是實現異構機之間的通訊，完成協議轉換，可以實現兩種以上不同的通訊形式，本文主要闡述了CAN總線、RS485總線以及以太網之間的相互轉化與傳輸。系統軟件設計是在硬件設計實現的基礎上對整個系統的各個部分功能進行軟件編程實現。

5.1 系統整體架構與地址分配

結合第二節硬件部分的敘述，軟件設計環節也主要針對通訊模塊進行。涉及的芯片主要有，STM32F4主控制芯片、SJA1050CAN收發器、MAX485收發器、LAN8720以太網外設等。各個芯片通過STM32F4主控芯片緊密的關聯在一起。

該通信系統的程序存儲器用的是STM32F4內部自帶的512M（地址0x0000 0000-0x1FFF FFFF）的代碼區，足以滿足存儲MCU、LAN8720、TJA1050的初始化程序、內部控制器控制驅動程序、協議轉換子程序、TCP/ IP簡化協議棧程序等。

數據存儲與程序存儲互相不關聯，與數據相關聯的存儲器是STM32F4的內部數據寄存器，不同的外設對應不同的數據寄存器（外設狀態位寄存器、控制寄存器等）。以CAN控制器為例，它有控制和狀態寄存器、郵箱寄存器、篩選器寄存器等。我們在提取CAN總線上的數據信息，就存儲在郵箱寄存器的數據寄存器中。CAN控制器外設的總線邊界地址在（0x4000 6400-0x4000 67FF），以0x4000 6400為基址，偏移地址0x01b8，為其接收FIFO的低位數據寄存器，偏移地址0x01bc，為其接收FIFO的高位數據寄存器。具體的寄存器地址分配如表1所示。

表1 系統外設存儲空間分配

5.2 系統軟件設計

整個通信系統軟件設計采取結構化和模塊化相結合的方式，分為主控程序和通信子程序。子程序又包含若干個模塊（以不同的通訊方式劃分）。系統軟件架構如圖11所示。

圖11 系統軟件架構圖

如圖，主程序主要包含協議轉換程序和初始化信息，而真正實現通信初始化、發送、接收、中斷、協議轉換等功能的程序都按照功能進行了封裝。主程序只負責調用相關的子函數。每個通信子程序都包含了其通信所必須的初始化程序、輸入輸出程序。當主程序調用協議轉換程序（Conv_Protocol()）時，協議轉換程序就會調用通信模塊中相應的函數的讀取數據寄存器中的數據并開始轉換；當協議轉換程序完成信息轉換后，它將轉換后的信息返回給相應的數據寄存器，通信模塊將等待主程序調用相關指令數據發送。在轉換過程中采取中間協議模型所商定的協議格式進行轉換。

通信系統設計的流程圖如圖12所示，整個系統由main()函數開始運行，經過系統初始化以及中斷初始化，系統初始化過程中分別調用MAC、CAN、以及USART的初始化子程序，對系統進行初始化配置。首先進行數據幀檢測，判斷是否有數據幀，如果沒有，則進入中斷等待，直到有數據幀進入。有數據幀進入之后，緊接著進行數據幀類型判斷，接著調用協議轉換子程序Conv_Protocol()，協議轉換完畢后調用數據接收子程序，傳送到通信子模塊各自的數據寄存器，等待接收完畢后，通過發送子函數將轉換后的數據發送給特定的目標網絡。

圖12 系統程序流程圖

6 結束語

本通信系統集成了CAN總線接口、RS485接口、

RS232接口、以太網接口各一個。設計完成之后，它作為E-車間通信的關鍵技術，它將車間生產信息（物料使用、車間設備使用率等）與外界互聯，實現了信息共享。在E-車間的推廣過程中起到了重要的作用。經實際測試，CAN、RS485和以太網之間信息轉換效率高，在目前車間設備數量下，車間級網絡負載只在24.7%左右。在硬件設計方面采取了模塊化設計，便于后期拓展。在軟件設計方面，考慮到后期拓展的方便，在協議轉換環節，采取了中間協議模型。為后期更多網絡的加入提供理論的可行性。在此基礎上，由于STM32F4具有較強的運行能力，后期還可以考慮加入ucos、freeRTOS[12]等實時系統，以此來提高一些低智能化設備的入網能力，更好的契合“互聯網+制造”的趨勢。

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The communication system design and realization of E-shop

ZHANG Ye1,2, ZHU Hao1,2, ZHU Xiao-chun1,2

TP29

A

1009-0134(2016)12-0130-07

2016-09-28

江蘇省高校自然科學研究項目（14KJA460003）；南京工程學院科研創新基金（CKJB201503）

張葉（1992 -），男，江蘇人，碩士研究生，研究方向為機械制造自動化。