船用多缸油泵試驗臺的串口服務器

章信華　嵇建波　龐前娟

摘要：為了解決船用多缸油泵試驗臺能同時使用4個稱重模塊的問題，設計了一種串口服務器。該串口服務器以STM32芯片做為主控芯片，左邊連接PLC，右邊連接4個稱重模塊，起到通信中介的作用;對整個設計的幾個關鍵點進行了詳細介紹，包括整體框架、硬件設計和軟件通信報文設計等;該模塊的硬件設計成本低，自定義的軟件通信報文簡單，最后對模塊進行實物制作，并進行了測試。測試結果表明，所設計的串口服務器，能夠同時返回4個稱重模塊測量的重量值，并能夠穩定運行。

關鍵詞：船用多缸油泵試驗臺;串口服務器;稱重模塊

中圖分類號：TP368.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492f2021）03—0139—03

0引言

噴油泵好比柴油機的心臟，其性能的好壞直接影響到柴油機的工作性能。為了提高測試效率，需要設計可以同時測試多個噴油泵的試驗臺，該試驗臺需要多個具有RS-232串口的稱重模塊。現有的多缸油泵試驗臺都是直接在試驗臺的控制器PLC上連接稱重模塊，但PLC最多可以掛載3個RS-232串口模塊，且每個串口模塊的價格高昂，單個模塊超過上千元，3個模塊總計3千多元，故這種方案的經濟性和擴展性都是不可取的。為了解決該問題，本文提出了一種新的解決方案，該解決方案的目標是使船用多缸油泵試驗臺能同時使用4個稱重模塊，且要求成本低廉。本文設計了一種串口服務器，該串口服務器擁有5個RS-232串口接口，左邊1個接口和PLC連接，右邊4個接口分別和4個稱重模塊連接，起到了一個通信中介的作用，其接收PLC發送的報文，并轉發給4個稱重模塊;同時也接收4個稱重模塊發送的報文，經過處理后，再轉發給PLC，相當于是PLC和4個稱重模塊的通信中樞。此外該串口服務器主要由STM32芯片外加幾個電平轉換芯片構成，其結構簡單，成本較低，硬件成本只需20元左右，滿足了經濟性的要求。串口雖然是一種很常用的通信端口，但通過查閱大量的國內外文獻發現，在船用多缸油泵試驗臺中從未使用過串口服務器，本文是首次使用。

1整體框架

在整個試驗臺中，串口服務器的左邊通過1根RS-232串口線接西門子S1200型PLC模塊，右邊通過4根串口線，分別和4個梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊相連，串口服務器起到中介的作用。整個串口服務器的整體框架如圖1所示，從圖中可以看出，需要5個串口即可滿足4缸油泵試驗臺的需求。

2硬件設計

通過上文分析可知，該串口服務器在硬件上只需要5個RS-232串口即可滿足要求。為了滿足這個要求，最重要的是選擇合適的主控芯片。

2.1主控芯片

經過選型，主控芯片采用STM32F103RCT6芯片，該芯片基于Cortex-M3的內核，Cortex-M3是一個32位處理器內核，采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行。該芯片內置了3個通用同步，異步收發器（USART1、USART2和USART3），和2個通用異步收發器（UART4和UART5）。這5個串口都可以提供異步通信、支持IrDA SIR ENDEC傳輸編解碼、多處理器通信模式、單線半雙工通信模式和LIN主/從功能。USART1接口通信速率可達4.5MB/s，其他接口的通信速率可達2.25 MB/s。圖2所示為該芯片的所有硬件資源，圖中標出了該芯片含有5個通用異步收發器，即提供5個RS-232串口，可以同時連接一個PLC和4個稱重模塊，用于4缸油泵試驗臺。

2.2電平轉換

由于STM32F103RCT6芯片的電平是TTL電平，而RS-232串口通信的電平是RS-232電平，無法直接連接，故需要進行電平轉換。本文采用的是MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5V單電源供電，符合所有的RS-232C技術標準，只需要單一+5V電源供電，片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和-10V電壓，功耗低，典型供電電流5mA，內部集成2個RS-232C驅動器，高集成度，片外最低只需4個電容即可工作，內部集成2個RS-232C接收器，由于需要5個串口，故只需要3個MAX232芯片。圖3所示為該芯片的硬件結構。

2.3連接端子

為了方便PLC、串口服務器、稱重模塊串口之間的連接，在串口服務器上使用了DB9型端子，DB9型端子可以保證這些模塊在相互連接的時候，既方便又可靠，是一種使用非常頻繁的接頭。由于一共有5個串口，故一共需要5個DB9型端子。圖4所示為DB9端子的實物圖。

3軟件設計

根據梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊的使用說明書，要想該模塊進行稱重，只需要2條指令，分別是“置零指令”和“稱重指令”。

（1）“置零指令”：當稱重模塊接收到“置零指令”后，將開始進行置零，如果置零成功，將返回“置零成功”指令，否則將返回“置零失敗”指令。

（2）“稱重指令”：稱重模塊被成功置零后，如果收到“稱重指令”，稱重模塊將以100 ms的時間間隔，周期性向外發出當前所稱得的質量的報文。

3.1置零指令

梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊的“置零指令”是“ZI”，PLC通過串口服務器向各個稱重模塊發送“置零指令”，串口服務器接收后，依次轉發給各個稱重模塊;串口服務器是使用串口1接收該指令，之后將該指令依次通過串口2，3/4/5發送給4個稱重模塊。

3.2置零返回指令

各個稱重模塊收到“置零指令”后，將開始進行置零;如果置零成功，將返回“置零成功”指令，否則將返回“置零失敗”指令。梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊的“置零成功“指令”是“ZIS”，“置零失敗”指令是“ZIF”，串口服務器使用串口2/3/4/5分別接收4個稱重模塊返回的指令，并將4個稱重模塊的置零狀態打包在一幀報文中，發送給PLC，PLC將獲取4個稱重模塊的置零狀態。具體的報文格式如表1所示。

報文中的第1個字節是固定的，使用0xAA開頭;第2個字節表示報文類型，使用0x01表示;每缸的置零狀態都使用1個字節表示，如果置零成功，則使用0x00表示，如果置零失敗，則使用0x01表示;故該報文一共占用了6個字節。

3.3稱重指令

梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊的“立即稱重”指令”是“SI”。串口服務器收到每個稱重模塊的“置零返回”指令后，將判斷每個稱重模塊返回的是否是“置零成功指令”，如果是，則將向該稱重模塊發送“立即稱重”，否則不發送任何指令;因此置零失敗的稱重模塊將不會返回其“重量報文”。

3.4稱重返回指令

各個稱重模塊收到“稱重指令”后，將以100 ms的時間間隔進行稱重，同時向串口服務器發送所稱得的質量。稱重模塊的“稱重返回指令”格式是“SI123456”，其中“1234”為油量的整數部分，占4個字符;“56”為油量的小數部分，占2個字符，通常只需要精確到0.1g即可。

串口服務器使用串口2/3/4/5，分別接收4個稱重模塊返回的指令，并按照相應的格式解析獲取每個稱重模塊返回的油量值。之后將4缸的油量打包成一幀報文，并以1s時間為間隔周期性地發送給PLC，這樣PLC就能實時地獲取每缸的噴油量，并顯示在組態軟件界面中，供用戶查看。具體的報文格式如表2所示。

報文中的第1個字節仍是OxAA;第2個字節則使用0x02，每缸的油量占用2個字節，最大值可以達到65 535 g，完全滿足實際需求，故該報文一共占用了10個字節。

4系統安裝及調試結果

4.1硬件制作

根據前文的硬件設計，再加上STM32F103RCT6芯片最小系統，即可繪制出整個模塊的原理圖及PCB圖，再制作出PCB板子，之后焊上所有的元器件，即可完成整個模塊的硬件制作。串口服務器的結構框架圖如圖5所示，主要包括3大部分：（1）1個控制中樞為STM32F103RCT6的主控芯片;（2）3個將TTL電平和RS232電平相互轉換的MAX232芯片;（3）5個串口連接的DB9型端子。

4.2測試結果

制作出實物之后，即可將程序下載到芯片中，并開始測試系統。系統測試方法：每1個稱重模塊準備1套砝碼，該套砝碼包含質量不等的幾個砝碼，每次隨機挑選其中的1個或幾個砝碼放人該稱重模塊中，測試串口服務器能否同時將4個稱重模塊上的砝碼質量返回給PLC，并通過觸摸屏顯示。系統測試的部分數據如表3所示，測試結果表明，所設計的串口服務器，能夠同時返回多個稱重模塊測量的質量值，并能夠穩定運行。

5結束語

為了解決船用多缸油泵試驗臺能同時使用4個稱重模塊的問題，本文基于STM32芯片設計了一個串口服務器模塊，該串口服務器擁有5個RS-232串口接口，左邊連接PLC，右邊連接4個稱重模塊;其硬件設計成本低，軟件通信報文簡單，可擴展性強。最后對模塊進行實物制作，并進行了測試，從測試數據來看，所設計的串口服務器，能夠滿足試驗臺同時使用4個稱重模塊測量4個噴油泵的需求。在功能上和經濟性上，達到最初的設計目標。