【正文】 M_BUS 主站/中繼器是用來解決在工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集中與控制?？梢詫?M_BUS 從節(jié)點(diǎn)上的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中、存儲，然后轉(zhuǎn)換成與上位機(jī)通信的通信總線的幀格式進(jìn)行傳輸，也可以接收總線上傳輸?shù)目刂泼?，然后跟?jù)控制信息對 M_BUS 從機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。多通信接口的 M_BUS 主站/ 中繼器設(shè)計思想:由于在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)控制是核心環(huán)節(jié)，而數(shù)據(jù)傳輸是核心中的核心，考慮到傳統(tǒng)的 M_BUS 數(shù)據(jù)集中器由于接口不匹配導(dǎo)致原有的 M_BUS 數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)不能使用，造成工業(yè)浪費(fèi)。另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)不帶 CPU，僅僅由 M_BUS 切換電路和 RS232 通信接口組成，在接收到數(shù)據(jù)后，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理，導(dǎo)致系統(tǒng)不能進(jìn)行復(fù)雜的工作。多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器針對原有數(shù)據(jù)集中器的不足，采用應(yīng)用廣泛、實(shí)時性很好的現(xiàn)場總線 Profibus 和 CAN 總線，外加傳輸數(shù)據(jù)量大的以太網(wǎng)技術(shù)作為對上位機(jī)通信數(shù)據(jù)的接口，與下位機(jī)進(jìn)行通信的總線接口使用儀表采集領(lǐng)域使用廣泛的 M_BUS 儀表總線傳輸技術(shù)，整個系統(tǒng)的通用性強(qiáng)、實(shí)時性好、傳輸數(shù)據(jù)量大，外加 M_BUS 中繼接口的設(shè)計，可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。整個系統(tǒng)功能強(qiáng)大，即可作為 M_BUS 主站使用，又可作為中繼器使用。上位機(jī)多通訊接口的 M B U S主機(jī)1 從機(jī)N 從機(jī)2 從機(jī)……C A N 口 o r網(wǎng)口 o rp r o f i b u s 口M B U S中繼器1 從機(jī)N 從機(jī)2 從機(jī)……M b u s 總線圖 系統(tǒng)連接示意圖整個系統(tǒng)由工控模塊、M_BUS 電平轉(zhuǎn)換電路、電源系統(tǒng)和四種通信接口電路四部分組成。主控系統(tǒng) T2387，主要負(fù)責(zé)配置四種接口模塊、收發(fā)下位機(jī)數(shù)據(jù)、收發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)、響應(yīng)用戶命令、升級用戶軟件等。M_BUS 總線主要負(fù)責(zé)從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)向多通信通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過該采集系統(tǒng)向從機(jī)傳輸配置多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)16命令、收發(fā)命令，用戶可以用自己配置的命令通過該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)想從機(jī)進(jìn)行命令傳輸，從機(jī)接到命令后作出相應(yīng)動作。T2387 主要用來接收、處理和發(fā)送用戶和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)，還可以通過軟件配置還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，即從機(jī)向用戶發(fā)的數(shù)據(jù)和用戶向從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)不經(jīng)過任何處理直接進(jìn)行傳輸，此時，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)于以一個透明的通道，可作為中繼器來增加信號傳輸距離。選用的四種總線通信接口，分別為 CAN 總線接口、Profibus 總線接口、以太網(wǎng)接口和 M_BUS 中繼接口，在現(xiàn)今階段應(yīng)用相對成熟，且應(yīng)用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從 MBUS 從機(jī)和四種通信通道間的數(shù)據(jù)傳輸。多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器有兩種模式：M_BUS 主站模式和中繼器模式。其中 M_BUS 主站模式，依據(jù)對上位機(jī)的通信接口不同分為：CAN 通信、以太網(wǎng)通信、Profibus 通信。在 M_BUS 主站模式下，主站下掛在一定量的 M_BUS 從站，對上位機(jī)通信可以選擇 CAN 總線通信、PROFIBUS 總線通信、以太網(wǎng)通信。中繼器通信模式，對 M_BUS 主站通信時，自身相當(dāng)于一個 M_BUS 從站，對 M_BUS 從機(jī)進(jìn)行通信時，自身相當(dāng)于一個 M_BUS 主站，對 M_BUS 主站和從站都通過 M_BUS 總線進(jìn)行通信。 多通信接口的 M_BUS 主站/ 中繼器的主控芯片介紹 TinyArm2387 嵌入式工控模塊概述主控模塊選用廣州致遠(yuǎn)公司的 TinyARM 系列 T2387 嵌入式工控模塊，片上集成NXP 公司的 LPC2387。TinyARM 系列 T2387 嵌入式工控模塊是 TinyARM23 系列中功能強(qiáng)大的一款型號 [25]，它內(nèi)部配置 2MB 內(nèi)存，集成 LPC2387 微控制器最小系統(tǒng)。產(chǎn)品內(nèi)置有商業(yè)化 TCP/IP、USB 、CAN 協(xié)議棧、SD 總線驅(qū)動、文件管理系統(tǒng)和底層基礎(chǔ)驅(qū)動函數(shù)庫等固件。用戶只需要簡單地調(diào)用 API 函數(shù)，而無需了解以太網(wǎng)、USB 、 CAN 等協(xié)議棧和文件系統(tǒng)和 ARM 內(nèi)部寄存器，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在線升級功能界面，簡單和可靠的現(xiàn)場升級，大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力。功能強(qiáng)大，易于使用的軟件開發(fā)平臺，大大降低了開發(fā)門檻，使設(shè)計的產(chǎn)品可以迅速可靠地上市。 T2387 是一個 45mm 32mm 的核心模塊，通過分布在模塊邊緣的 2 組 15 x 3 排針將T2387 的通信接口、GPIO、電源等所有引腳引出。該芯片豐富的串行接口使得其外圍電路設(shè)計變得簡單。 TinyArm2387 嵌入式工控模塊硬件資源該芯片基于 ARM@CortexTMm3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率最高為 72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá) 256K 字節(jié)的 FLASH 和 64K 字節(jié)的 SRAM） ，6 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，單通道轉(zhuǎn)換時間低至 ；USB 設(shè)備控制器； 1 路 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至 1μs；包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：4 個異步串行口（UART ）接口、CAN 總線控制接工程碩士學(xué)位論文17口、片上集成 10M/100M 以太網(wǎng)控制器并提供以太網(wǎng)接口、工業(yè)級 PHY、SD/MMC 總線控制器、12MHz 工業(yè)級有源晶振以及復(fù)位電路。可以在外圍電路上設(shè)計 2M 的 Flash接口。工控模塊硬件圖如圖 。L P C 2 3 8 75 1 2 K B y t e F l a s h9 8 K B y t e S R A MT 2 3 8 7 工控模塊R X + 、 R X T X + 、 T X R D 1 、 R D 2T D 1 、 T D 2U A R T 0 ~ U A R T 3A D C 0 ~ A D C 5D A CG P I OP 0 、 P 1 、P 2 、 P 3L E D _ N 1L E D _ N 2U A R T / I2C / S P I /S S P / I2S / A D C /D A C / P W M以太網(wǎng)控制器C A N 控制器S D 卡接口U S B 設(shè)備接口數(shù)據(jù) F l a s hR T CP W M 1 P W M 6E I N T 0 ~ E I N T 3I2C 1 、 I2C 2S P I 、 S S P 、C A P 、 M A TK S Z 8 0 4 1 N L以太網(wǎng) P H YV B U S 、U C O N N E T 、U D + 、 U D 、U U P _ L E DC S 、 V d d 、 V s sD a t a I n 、D a t a O u t 、C L KS D 卡接口U S BC A N _ b u sV D D 3 . 3 供電圖 T2387 硬件結(jié)構(gòu)圖T2387 的硬件資源 [26]：處理器 ：NXP 公司的 LPC2387 。一般情況下，默認(rèn)運(yùn)行頻率 48 MHz，支持72MHz 的最高運(yùn)行頻率； 存儲系統(tǒng) ：504KBytes 片內(nèi)無需等待程序存儲器，可實(shí)現(xiàn)硬件加密程序代碼空間，保護(hù)開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)，另帶 98KBytes 的高速片內(nèi) SRAM， ；可選配 256KB ～2MB 字節(jié) 的數(shù)據(jù) Flash；支持 SD/MMC 卡。 通信接口 ：內(nèi)部集成工業(yè)級 10/100M 以太網(wǎng) PHY 芯片；集成 2 路 CANbus 接口； 4 路 UART 控制器（UART1 符合 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，UART3 支持 IrDA 模式） ； 1 路 全速設(shè)備接口(12Mbps)； 2 路高速 I2C 總線，數(shù)據(jù)傳輸速度 0 ~ 400Kbit/s； 2 路帶緩沖的 SSP 總線。 A/D ： 6 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，單通道轉(zhuǎn)換時間低達(dá) s； D/A ： 1 路 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低達(dá) 1 μ s；內(nèi)部集成高精度基準(zhǔn)電多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)18壓源。 定時器/ 計數(shù)器： 4 個 32 位定時器/ 計數(shù)器，支持捕獲、匹配輸出功能； PWM ： 6 路單邊沿 PWM 輸出，或 3 路雙邊沿 PWM 輸出。 多通信接口的 M_BUS 主站/ 中繼器系統(tǒng)的需求與分析通過對傳輸數(shù)據(jù)的工作環(huán)境參數(shù)的采集、處理和傳輸，多通信接口的M_BUS主站/中繼器實(shí)現(xiàn)了對整個工業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)傳輸。多通信接口的M_BUS主站/ 中繼器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。多通信接口的M_BUS主站/中繼器包含了硬件功能需求和軟件功能需求，在實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能的基礎(chǔ)上也對各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了相應(yīng)的要求。本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是完成多通信接口的M_BUS主站/中繼器的設(shè)計與開發(fā)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、信號傳輸技術(shù)，對在工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可使用多種總線接口上傳數(shù)據(jù)，可以使遠(yuǎn)程監(jiān)控人員對現(xiàn)場工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并及時發(fā)現(xiàn)問題，確保工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)行穩(wěn)定。本系統(tǒng)的研究內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的最終目標(biāo)是： (1) 多通信接口的M_BUS 主站/中繼器可以做M_BUS中繼器使用，通過串口配置下發(fā)配置命令選擇M_BUS中繼器模式，具有數(shù)據(jù)集中功能，放大再生信號，可透明傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，增加從站的接入數(shù)目。(2) 多通信接口的M_BUS 主站/中繼器可以作為M_BUS主站使用，通過四種通信接口，可以將M_BUS從站的數(shù)據(jù)上傳至不同的總線。本系統(tǒng)支持波特率配置，選取了當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的Profibus、CAN現(xiàn)場總線，有利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，配上以太網(wǎng)口，增加了數(shù)據(jù)的傳輸量。(3)支持本地配置，為增加系統(tǒng)靈活性，即當(dāng)外界需求變化時，通過串口下發(fā)配置命令，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同的總線上傳，同時可以根據(jù)用戶需要調(diào)整通信速率。 (4)數(shù)據(jù)管理能力需求，多通信接口的M_BUS 主站 /中繼器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、儲存。(5) 提供配套的配置命令，可以簡單的使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。系統(tǒng)整體開發(fā)需求：(1)穩(wěn)定性與安全性。系統(tǒng)需要采用成熟可靠的技術(shù)和設(shè)備，從硬件、軟件等方面考慮如何設(shè)計出高穩(wěn)定性與安全性的系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時間長，系統(tǒng)盡量避免發(fā)生故障，以及在發(fā)生故障時方便盡快修復(fù)或恢復(fù)。(2)系統(tǒng)升級的便捷性。嵌入式技術(shù)是不斷的進(jìn)步的，用戶的實(shí)際的需求也會不斷的變化。因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)考慮系統(tǒng)的功能性的擴(kuò)展與改版，保證系統(tǒng)自動升級維護(hù)功能。(3)兼容性。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，程序功能模塊化設(shè)計，提高系統(tǒng)性能，保證系統(tǒng)兼容性。工程碩士學(xué)位論文19 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)硬件功能需求（1）多通信接口的M_BUS主站/中繼器提供多種通信接口，既可以作為主站使用，又可以簡單的作為數(shù)據(jù)中繼器使用。（2）多通信接口的M_BUS主站/中繼器的CAN、PROFIBUS 接口采用總線隔離技術(shù)，可隔離2200V的電壓，保證系統(tǒng)在高壓環(huán)境下的電路模塊不被高壓損壞。（3）數(shù)據(jù)可采集的范圍廣泛，采集包括：溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)、震動數(shù)據(jù)等其它。（4）提供 M_BUS 總線保護(hù)技術(shù)，選取具有熱關(guān)斷保護(hù)的 OPA549 作為 M_BUS發(fā)送電路的主芯片。 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)軟件功能需求(1) 系統(tǒng)模式配置主要功能：通過串口配置通信模式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四種通訊模式。(2) 系統(tǒng)的主要功能：采集M_BUS從機(jī)的數(shù)據(jù)，使M_BUS從機(jī)上的數(shù)據(jù)可以在PROFIBUS、以太網(wǎng)和 CAN總線上傳輸。具有中繼器功能，放大和再生M_BUS從機(jī)上的信號，使得信號傳輸距離更遠(yuǎn)，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)傳輸受到距離限制的不足。 (3) 數(shù)據(jù)通信主要功能：整個M_BUS主站/中繼器可以再生和放大信號。在中繼器模式下，該系統(tǒng)上接M_BUS 主站、下接若干M_BUS從站，相當(dāng)于一個透明的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)從機(jī)和主機(jī)之間的實(shí)時通信，增加通信距離。在M_BUS主站模式下，可以多通道與上位機(jī)通信，根據(jù)相應(yīng)的控制命令可以實(shí)現(xiàn)對M_BUS從站廣播通信和點(diǎn)對點(diǎn)的通信。(4) 總線的保護(hù)功能：在檢測到電流很大的時候，自動觸發(fā)LPC2387的中斷，關(guān)閉輸出電流，保護(hù)整個電路的元器件不被燒毀。(5) 數(shù)據(jù)存儲的主要功能：可以存儲2M的數(shù)據(jù)。(6) 系統(tǒng)的通信功能：能在四種不同的通信通道中傳輸數(shù)據(jù)，在不同的傳輸距離和不同的波特率的條件下，數(shù)據(jù)能夠很好的傳輸。 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)性能需求時間特性要求：不間斷運(yùn)行時間≥3024小時；服務(wù)時間≥95％；操作響應(yīng)時間≤1秒。靈活性要求：說明對該軟件的靈活性的要求，即當(dāng)需求發(fā)生某些變化時，該軟件對這些變化的適應(yīng)能力，提供擴(kuò)充接口，能夠?qū)ν馓峁?shù)據(jù)；輸入輸出要求：系統(tǒng)通過CAN總線采集機(jī)車的工況數(shù)據(jù)信息與輸出控制信號；數(shù)據(jù)管理能力要求：可以存儲2M的數(shù)據(jù)量系統(tǒng)的負(fù)載能力：500mA的電流多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)20系統(tǒng)的中繼功能傳輸距離：中繼距離可以達(dá)到1000m 以上，具有信號放大再生能力。 本章小結(jié)本章首先簡單介紹了多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器 的整體結(jié)構(gòu)框架，分別從物理結(jié)構(gòu)上和功能結(jié)構(gòu)上給出了相應(yīng)的構(gòu)成原理，并簡單闡述各個部分在系統(tǒng)中所起的作用和系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的功能，以及具體所用到的相關(guān)設(shè)備。接著給出了多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器其軟硬件