摘  要： 基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片STM32F107所構(gòu)建的車橋追溯管理系統(tǒng)終端，采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，終端系統(tǒng)穩(wěn)定，人機(jī)對(duì)話界面友好，數(shù)據(jù)能快速、大量、有效傳輸，具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 車橋總成；STM32F107；以太網(wǎng)；μC/OS-II；LwIP協(xié)議棧

　車橋生產(chǎn)企業(yè)錄入VIN編碼時(shí)，經(jīng)常發(fā)生人為失誤，如工人在記錄時(shí)的字跡模糊不清、錄入員在錄入時(shí)的操作過失、遺漏單據(jù)等現(xiàn)象，阻礙了整個(gè)車橋安裝進(jìn)程的進(jìn)度，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。至此，實(shí)時(shí)錄入工位車橋總成信息的終端具有應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。由STM32F107構(gòu)建的車橋追溯管理系統(tǒng)終端，通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理，將工位總成信息傳至PC機(jī)以進(jìn)行統(tǒng)一管理。
1 總體方案
　終端采用基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片STM32F107為處理器，構(gòu)建STM32應(yīng)用電路、以太網(wǎng)通信電路、人機(jī)接口電路、指示報(bào)警電路、電源電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。終端分為上橋終端與工位終端。工位終端安裝在裝配流水線的相關(guān)工序?qū)?yīng)的工位，實(shí)現(xiàn)流水線工位有效信息的錄入；上橋終端安裝在裝配流水線的上橋工位，實(shí)現(xiàn)總成橋類型、數(shù)量按當(dāng)班總調(diào)度的要求實(shí)時(shí)調(diào)度與控制。

　　　　終端的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖2所示。PC機(jī)作為以太網(wǎng)

2 硬件設(shè)計(jì)
　終端硬件分為STM32應(yīng)用單元、以太網(wǎng)通信單元、人機(jī)接口單元、指示報(bào)警單元等。
2.1 STM32應(yīng)用單元
　STM32F107是一款性價(jià)比極高的微控制器，它集成了豐富的外圍功能模塊，可滿足多種應(yīng)用場(chǎng)合，適宜于實(shí)時(shí)控制[2]。STM32的系統(tǒng)時(shí)鐘可來自3個(gè)不同的時(shí)鐘源，本終端采用HSE時(shí)鐘為高速外部時(shí)鐘信號(hào)，通過OSC_IN接入一個(gè)最高為25 MHz占空比為50%的外部時(shí)鐘信號(hào)提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘基準(zhǔn)。復(fù)位方式為系統(tǒng)外部復(fù)位，通過按下獨(dú)立按鍵，向NRST引腳輸入低電平，完成復(fù)位。STM32的內(nèi)核集成了串行線/JTAG調(diào)試接口用于接調(diào)試器，便于程序的調(diào)試。
2.2 以太網(wǎng)通信單元
　以太網(wǎng)通信電路，如圖3所示。通過STM32F107的MAC接口與以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片DP83848構(gòu)成的的PHY（物理層）接口相連接，再與網(wǎng)絡(luò)變壓器、RJ45插槽相連接，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。STM32F107以太網(wǎng)模塊支持兩種模式接口：獨(dú)立介質(zhì)接口（MII）和簡(jiǎn)化獨(dú)立介質(zhì)接口（RMII）[3]。設(shè)計(jì)選擇獨(dú)立介質(zhì)接口（MII），它需要16根數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的引腳，支持10 Mb/s、100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸。

　DP83848C是一款高性能的滿足10M/100M單接口的PHY物理層元器件，它具有低電壓損耗特性，同時(shí)提供幾種智能休眠模式，這樣可以減少電能的消耗，提高元器件的可靠性[3]。通過配置DP83848C的MII_MODE引腳為0，SNI_MODE引腳任意，選擇為MII模式。AN_EN、AN_0、AN_1引腳上拉3.3 V，自動(dòng)協(xié)商功能使能，且支持10BASE_T半/全雙工和100BASE_TX半/全雙工兩種傳輸方式。PHY的物理地址由PHYAD[0：4]引腳確定，PHYAD[0]引腳內(nèi)部有弱上來電阻，PHYAD[4：1]引腳有弱下拉電阻，所以PHY地址默認(rèn)為00001（01h）。
2.3 其他單元
　人機(jī)接口單元包括PS2鍵盤電路與LCM屏電路，主要用于人機(jī)信息的交互。指示報(bào)警單元利用LED燈和蜂鳴器對(duì)終端的運(yùn)行情況進(jìn)行指示、報(bào)警，包括網(wǎng)絡(luò)連接診斷指示、以太網(wǎng)通信指示、終端運(yùn)行狀況指示和硬件錯(cuò)誤指示，當(dāng)終端出現(xiàn)硬件錯(cuò)誤與通信錯(cuò)誤時(shí)，除了LED外，報(bào)警電路的蜂鳴器同時(shí)響起。電源單元采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM2576HVS-3.3芯片將直流+48 V轉(zhuǎn)換為直流+3.3 V，為整個(gè)終端提供可靠、穩(wěn)定的電能。
3 軟件設(shè)計(jì)
　軟件上嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4]，建立以太網(wǎng)通信、人機(jī)接口、指示報(bào)警、終端選擇等任務(wù)，通過μC/OS-II任務(wù)調(diào)度，完成任務(wù)的切換與運(yùn)行。嵌入LwIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議層的構(gòu)建。
3.1 LwIP協(xié)議棧移植
　μC/OS-II是一個(gè)開放源碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核，缺少對(duì)外圍設(shè)備和接口的充分支持[5]。而LwIP TCP/IP在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，一般它只需要幾十KB的RAM和約40 KB的ROM就可以運(yùn)行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。它與系統(tǒng)其他部分的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

　sys_arch.h中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，分為四個(gè)部份：
?。?）sys_sem_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信號(hào)量函數(shù)
　struct sys_sem_t；sys_sem_new（）；
　sys_sem_free（）；sys_sem_signal（）；
　sys_arch_sem_wait（）；
?。?）sys_mbox_t消息函數(shù)
　sys_mbox_new（）；sys_mbox_free（）；
　sys_mbox_post（）；sys_arch_mbox_fetch（）；
?。?）系統(tǒng)超時(shí)函數(shù)
　struct sys_timeouts*
　sys_arch_timeouts（void）
?。?）創(chuàng)建新線程函數(shù)
　void sys_thread_new（void（*thread）（void*arg），void*arg）；
3.2 任務(wù)劃分和資源分配
　μC/OS-II是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的公開源代碼的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它把系統(tǒng)軟件分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成相應(yīng)工作，系統(tǒng)功能由多個(gè)任務(wù)協(xié)作完成[6]。任務(wù)分配方案的好壞將直接影響軟件編寫效率和性能，系統(tǒng)任務(wù)分配如表1所示。在起始任務(wù)中建立了一系列的郵箱信號(hào)來協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，資源分配如表2所示。

　終端μC/OS-II系統(tǒng)設(shè)置為每隔50 ms進(jìn)行一次任務(wù)切換，以太網(wǎng)任務(wù)用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；終端選擇任務(wù)是通過功能按鍵中斷觸發(fā)來選擇任務(wù)，進(jìn)入終端選擇界面之后，根據(jù)界面的提示，通過PS2鍵盤選擇終端類型；人機(jī)接口任務(wù)主要完成人機(jī)信息的交互；指示報(bào)警任務(wù)則是最終端的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)、指示、報(bào)警。
　在μC/OS-II平臺(tái)下，各個(gè)任務(wù)對(duì)資源的申請(qǐng)，以及任務(wù)間的通信通過操作系統(tǒng)的消息管理模塊來進(jìn)行，可保證任務(wù)與任務(wù)之間的耦合性最小，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)。
3.3 以太網(wǎng)通信任務(wù)
　STM32F107的以太網(wǎng)模塊支持通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，符合IEEE 802.3-2002標(biāo)準(zhǔn)，通過外接的PHY接口，支持10 Mb/s、100 Mb/s秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。
?。?）以太網(wǎng)任務(wù)初始化。針對(duì)此任務(wù)的變量、標(biāo)志位以及LwIP協(xié)議棧初始化，其包括Heap型內(nèi)存初始化，Pool型內(nèi)存初始化，網(wǎng)絡(luò)配置初始化，宏定義初始化等。
?。?）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。上橋終端發(fā)送給工位終端的橋號(hào)先傳給PC機(jī)，再由PC機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給工位終端。如果由上橋終端直接發(fā)送給工位終端，則上橋終端既作服務(wù)器，又做客服端，這樣增加了終端程序的任務(wù)量，至此，將更多的數(shù)據(jù)傳輸交給PC機(jī)，充分利用PC機(jī)的高效性。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中斷程序接收，通過μC/OS-II建立的以太網(wǎng)郵箱，將接收到的數(shù)據(jù)以郵件的形式“投遞”到以太網(wǎng)任務(wù)進(jìn)行處理。有以太網(wǎng)郵件的到來才會(huì)激活以太網(wǎng)任務(wù)，否則，以太網(wǎng)任務(wù)一直處于掛起狀態(tài)。根據(jù)終端的類型將接收到的有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至STM32F107自帶的Flash中，防止掉電意外丟失。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過以太網(wǎng)發(fā)送到相應(yīng)的PC或者終端中。以太網(wǎng)通信任務(wù)流程圖如圖5所示。

　終端上電后，如果是第一次啟動(dòng)，尚未選擇終端類型，需要按下功能鍵，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入終端選擇界面，通過PS2鍵盤選擇相應(yīng)的終端，工位終端的選擇。
　利用“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件”模擬上位機(jī)軟件，用來發(fā)送和接收各終端的信息。終端作為客戶端，PC機(jī)作為服務(wù)器。在“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件”對(duì)話框中設(shè)置好IP號(hào)、端口號(hào)，等待各終端的連接，各終端成功連接之后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上橋終端接收到VIN碼后，將其顯示在液晶屏上，通過PS2鍵盤的確認(rèn)鍵，每按一次，就發(fā)送一組VIN碼給工位終端。工位終端接收到VIN碼后，進(jìn)入錄入數(shù)據(jù)界面，如圖7所示。輸入工序數(shù)，確認(rèn)無誤后，再依次輸入分成號(hào)、工序號(hào)、操作者號(hào)，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳給PC機(jī)。

　車橋追溯管理系統(tǒng)終端結(jié)合μC/OS-II和以太網(wǎng)技術(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程與實(shí)時(shí)傳輸。μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入，大大提高了微處理器利用效率；多任務(wù)的建立，既加強(qiáng)了各外設(shè)的聯(lián)系，又優(yōu)化了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，此終端系統(tǒng)穩(wěn)定，人機(jī)對(duì)話界面友好，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)能快速、有效傳輸，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
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