基于HWD32F429的主從冗余數據記錄系統的設計

陳潤星 劉杰 李龍杰 何鵬賡 李澤銀 石義金

關鍵詞：HWD32F429；數據記錄；Modbus協議；eMMC存儲

0 引言

目前國內多數嵌入式的數據記錄系統常用STM32 系列作為主控MCU，以國產MCU設計的數據記錄系統較少，針對這一問題設計了一款基于國產MCU的主從冗余數據記錄系統，可實現雙通道Modbus協議數據的存儲和讀取，該系統高效穩定，可在多種需要數據存儲場景進行使用。基于HWD32F429的主從冗余數據記錄系統，以國產HWD32F429替代STM32系列的芯片，可以使整個系統的全國產化率超過98%。

1 數據記錄系統的硬件設計

1.1 HWD32F429芯片

HWD32F429 系列是基于 ARM? Cortex?-M4 32-bit RISC CPU，最高工作頻率 240MHz 的高性能MCU。HWD32F429 集成了豐富的外設接口，包括 SPI、I2C、UART、CAN、網口等，適用于多種應用場景，如工業控制、智能家居、物聯網等。

HWD32F429 系列提供 144pin、176pin 的 LQFP 封裝，208pin 的 TFBGA 封裝，用于高性能變頻控制、數字電源、智能硬件、IoT 連接模塊等領域。此外，該芯片還具有錯誤處理和診斷功能，可以實現故障檢測和定位，提高了系統的可靠性和穩定性。

本文設計數據記錄系統主控HWD32F429采用144pin的LQFP 封裝。

1.2 數據接收模塊

基于國產芯片HWD32F429數據記錄系統與外部接口模塊間有3路串行通信接口，其中2路接收來自外部系統A、B的待存儲數據并互為冗余[1]，另外1路串行通信作對外調試接口，用于接收上位機發送的調試命令，串行通道設計示意圖如圖1所示。

數據接收均通過UART+JM3096T 收發器實現，JM3096T是一款國產高可靠性隔離全雙工RS422收發器，實現控制信號與現場信號的隔離及電平轉換。其中一路接收模塊原理圖如圖2所示。

1.3 eMMC 存儲模塊

高速eMMC 存儲芯片TEE12833TW0 具有高集成、高性能、低功耗以及高數據吞吐量等特點，其單片存儲容量可達128GB，本身內部集成控制芯片可以自我管理壞塊以及錯誤檢測和糾正，該國產eMMC存儲芯片采用標準接口可被廣泛應用在通信、軍事、航天、航空等領域的數據采集與存儲系統。數據記錄系統存儲模塊原理圖如圖3所示。

1.4 以太網通信模塊

數據記錄系統有一路以太網通信接口作為上位機讀取數據的接口。接口設置在前面板，方便操作員連接。以太網通信模塊設計如圖4所示。

HWD32F429 自帶MAC 功能，并提供MII 接口。PHY芯片采用EM971AP型芯片。EM971AP為一款支持10/100 兆的以太網物理收發器電路，集成以太網PHY，支持10BASE-T、100BASE-TX，支持MII 接口，能夠替換LXT971A芯片。網絡變壓器采用LT1306-A，實現對外的10/100Mbps自適應以太網通信功能，以太網通信原理圖設計見圖5所示。

2 數據記錄系統軟件設計

2.1 軟件設計架構

數據記錄系統嵌入式軟件主要4個功能任務：數據接收任務、數據存儲任務、數據讀取任務、錯誤處理任務。軟件體系架構如圖6所示。這些任務模塊利用FreeRTOS的多任務并行處理技術，通過消息和信號量的同步機制實現彼此的同步協作。

在數據記錄系統啟動成功后，系統首先通過初始化模塊來確保硬件的正確啟動。接著，系統會開啟功能調度任務，創建一個消息指針隊列，用于管理進程的開啟，并監控數據通信的狀態。

數據接收任務通過兩路 UART 接收來自外部系統的數據，為了確保系統的可靠性，采用 Modbus 通信協議進行數據傳輸。數據存儲任務負責將UART 接收到的數據存儲到 eMMC 存儲芯片中。數據讀取任務則通過以太網口等待數據讀取查詢指令，一旦檢測到查詢指令，就讀取 eMMC 相應數據。通常情況下，數據記錄系統的數據讀取過程都在非工作狀態下進行，因此當系統進入數據讀取任務時，會關閉其他任務，以保證讀取操作的獨立性。為了提高開發效率和可靠性，軟件移植了FATFS 和 LwIP，分別用于輔助完成文件管理和網絡處理[2-5]。

系統功能調度任務負責啟動其他功能任務。在初次運行時，它將開啟數據接收任務。

2.2 數據接收任務

數據記錄系統通過兩路UART接收從外部系統傳入的數據，兩路數據接收通道互為冗余，系統連接圖如圖7所示。

為了保證數據的可靠性，采用Modbus通信協議，數據記錄系統作為從機，外部待存儲設備作為主機，配置設備地址0xe7，功能碼為16，對應為寫入多點數據，由于Modbus 協議規定單幀數據大小不超過256Bytes，所以當待存儲數據超過256Bytes，需要被分為多幀Modbus數據，接收到多幀數據后再組幀形成待存儲的數據，存儲數據請求幀格式示意圖如圖8 所示。

當數據存儲系統接收到串口中斷數據，則對接收數據按照Modbus協議進行解幀和校驗處理，根據校驗結果返回響應數據，用于通知主機Modbus數據幀是否接收成功。返回的響應數據如圖9所示。

考慮到系統運行過程中數據接收時間可能具有隨機性，為確保系統高效運行，我們建立了一個深度為 256 的 FIFO，用于暫存已接收到的數據，防止存儲數據和接收數據發生沖突，導致數據丟失。只有在數據驗證無誤時，才會啟動相關的數據存儲進程，從而實現多任務雙工。

2.3 數據存儲任務

數據存儲任務是整個系統的關鍵所在，解決數據可靠高效地寫入進eMMC存儲芯片的問題。FreeR?TOS的內核未帶文件系統，為了簡化編程流程以及提升開發效率，在設計中加入高效、資源占用率低、專為小型嵌入式系統設計的文件管理系統FATFS。

為了方便對數據存儲和讀取時的查找，數據文件以每幀數據開頭的時間戳配合其他信息命名。文件名參數對應關系如圖所示，其中NO用于區分一秒內多幀存儲數據的次序數，通道號用于區分兩路存入數據的UART通道，確保每一幀數據都能被正確保存且可以區分。

2.4 數據讀取任務

數據記錄系統另一個關鍵功能是確保存儲在eMMC中的數據能夠快速準確地讀取出來。針對大容量存儲的情況下，快速查找并及時返回某個文件對操作員使用體驗來講有重要的意義。本文的數據記錄系統采用以太網作為數據讀取的傳輸途徑。利用第三方LwIP網絡協議棧實現網絡通訊功能。當接收到來自以太網的數據讀取指令，首先檢查指令合法性，如果查詢指令合法，則向任務管理進程發送網絡查詢數據接收成功消息。

2.5 錯誤處理任務

從系統安全角度出發，最理想的錯誤處理策略是盡量規避錯誤。當無法避免或糾正錯誤時，應采取相應的報警措施。此外，系統應根據錯誤的嚴重程度對錯誤進行分類。本軟件依據對系統功能影響程度對錯誤進行分級處理，分類標準與分類結果如圖11 所示。

存儲芯片中應建立一個專門用于記錄系統錯誤的日志文件，以記錄發生的所有錯誤。當發生第 III 類低風險錯誤時，黃色指示燈應常亮；當發生II 類中風險錯誤時，橙色指示燈閃爍；當發生第 I 類高風險錯誤時，紅色指示燈應始終閃爍，直到操作員排除故障且系統重新上電。發生風險錯誤可通過調試串口實時輸出，錯誤類型，方便操作員排除故障。

3 系統測試

為了驗證基于HWD32F429數據記錄系統的功能和性能，采用QT軟件平臺設計了數據記錄系統測試軟件，用于模擬數據的存儲、讀取以及校驗功能。系統測試連接示意圖如圖12所示。

該測試軟件間隔50ms 發送數據長度為256 的Modbus協議幀，通過連接網絡讀取校驗雙通道存儲的數據，測試軟件如圖13所示。

4 結束語

本文設計的主從冗余數據記錄系統主要采用ARM+eMMC 的架構，選用國產芯片 HWD32F429 作為主控制器。該系統能夠滿足以 Modbus 為協議的各類設備的數據記錄需求，在實現嵌入式設備的國產化替代方面具有一定的價值。