STM32F107VC的嵌入式遠程監控終端設計

摘要：針對處于偏遠地區或惡劣環(huán)境中的無(wú)人值守設備的運行狀態(tài)的監控問(wèn)題，本文應用嵌入式技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)設計了一種數據采集與監控系統的遠程監控終端。圍繞核心處理器STM32F107VC構建了終端的硬件系統，介紹了網(wǎng)絡(luò )接口設計、輸入/輸出接口設計和本地存儲電路設計。監控終端軟件基于A(yíng)RM公司的RL-ARM中間件，實(shí)現了多任務(wù)并行的網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)通信、基于WebServer的遠程配置服務(wù)和臨時(shí)存儲現場(chǎng)數據的文件系統。應用結果表明，系統可靠性高、實(shí)時(shí)性強，有效降低了遠程監控系統成本。

引言

數據采集與監控系統是以計算機為基礎的分布式控制系統與電力自動(dòng)化監控系統，廣泛應用于電力、冶金、石油、化工等諸多領(lǐng)域。數據采集與監控系統依靠其數量龐大的遠程終端單元收集各終端站點(diǎn)信息和執行控制策略。遠程終端單元的性能、成本、可靠性對整個(gè)系統而言舉足輕重。數據采集與監控系統如圖1所示。

對于終端站點(diǎn)現場(chǎng)環(huán)境惡劣或站點(diǎn)廣泛分散的系統，要求站點(diǎn)長(cháng)期無(wú)人值守，如電信公司的電話(huà)光纖網(wǎng)絡(luò )交接設備、高速公路機電設備等。如何保證終端站點(diǎn)的信息高效、可靠地上傳，并能對中心系統的命令及時(shí)響應，成為目前廣泛研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。參考文獻提出了一種基于GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸的無(wú)人值守低功耗遠程終端的設計方案;參考文獻設計了基于MODBUS協(xié)議的RS485通信方式的遠程終端;參考文獻設計了基于CAN總線(xiàn)的智能監控終端。但是基于以太網(wǎng)通信的無(wú)人值守遠程監控終端的設計方案還較少。本文基于以太網(wǎng)通信方式，以STM32F107VC網(wǎng)絡(luò )處理器為核心單元，實(shí)現了一種低成本、高效、穩定的遠程終端單元。

1 遠程監控終端硬件設計

對于電信公司EPON無(wú)人值守設備、高速公路無(wú)人值守機電設備等所處的遠程站點(diǎn)，通常布設有可以利用的可靠光纖網(wǎng)絡(luò )，基于網(wǎng)絡(luò )通信并充分利用網(wǎng)絡(luò )服務(wù)是監控終端設計時(shí)優(yōu)先考慮的重點(diǎn)。作為現場(chǎng)環(huán)境的監控設備，遠程監控終端應具備下述功能：穩定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準接口;與現場(chǎng)信息采集設備和執行機構的輸入/輸出接口;本地大容量備份信息存儲。

1.1 系統設計

系統結構如圖2所示，采用STM32F107VC網(wǎng)絡(luò )處理器作為系統核心單元，此芯片具備72 MHz運行頻率和90DMIPS的處理性能，集成了以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)、RS485、RS232、USBOTG等各種高性能工業(yè)標準接口，其標準外設包括10個(gè)定時(shí)器、16路12位1 Msps采樣速率的A/D模/數轉換器、2路12位D/A數模轉換器等，可以應用于多種工業(yè)場(chǎng)合。在核心處理器的基礎上，充分利用其集成的外設單元，設計相應的外圍接口電路，實(shí)現了需求功能，保證遠程監控終端的穩定性，降低了系統成本。

1.2 網(wǎng)絡(luò )通信接口設計

STM32F107VC核心處理器內部集成支持工業(yè)以太網(wǎng)標準IEEE1588的Ethernet MAC Interface，需要外部擴展PHY連接物理層網(wǎng)絡(luò )。選用美國國家半導體公司的DP83848C芯片作為物理層接口芯片，該芯片是10/100Mb/s單路低功耗物理層接口器件，與核心處理器通過(guò)Media-Inde pendentInterface(MII)相接。以太網(wǎng)通信接口電路如圖3所示。

1.3 輸入/輸出接口設計

輸入/輸出接口包括AI(Analog Input)接口、DI(Digital Input)接口和DO(Digital Output)接口。AI接口連接傳感器獲取現場(chǎng)連續變化的信號，如溫度、濕度、煙霧等;DI接口連接傳感器采集現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信息，如設備震動(dòng)、開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作、水浸超標和系統斷電等;DO接口輸出數字信號控制執行機構動(dòng)作，如繼電器等設備。

STM32F107VC內部集成ADC，輸入通道的幅值范圍為0～3.3 V，傳感器輸出的模擬量數據需要經(jīng)過(guò)濾波、放大的處理過(guò)程輸入至ADC接口通道。ADC的精度很大程度上依賴(lài)于基準電源的精度，系統采用高精度參考電壓源AD780為STM32F107VC提供基準電壓。AD780是一款超高精度帶隙基準電壓源，可以通過(guò)4～36 V的輸入電源提供2.5～3.0V輸出基準電壓。它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，非常適合用于增強高分辨率ADC的功能。系統的AI接口電路如圖4所示。

STM32F107VC的GPIO引腳都可以由軟件配置為輸入/輸出模式，并且輸入可承受5 V TTL電平。系統采用PC817光電耦合器實(shí)現GPIO引腳與外圍電路的電氣隔離，提升終端的電絕緣和抗干擾能力。DO接口使用大電流三極管驅動(dòng)繼電器輸出開(kāi)關(guān)信號。

1.4 本地存儲電路設計

遠程監控終端系統的數據存儲分為兩部分：系統參數ROM，保證系統掉電后數據不丟失，選取8 KB存儲容量的24LC64芯片，使用I2C總線(xiàn)接口對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

選取SD卡作力現場(chǎng)數據的臨時(shí)存儲器。SD卡具有數據傳輸率快，移動(dòng)靈活性好且具有較高的安全性等性能，當網(wǎng)絡(luò )出現異常時(shí)暫時(shí)存儲現場(chǎng)信息，以便網(wǎng)絡(luò )恢復正?；颥F場(chǎng)檢修時(shí)將數據信息取出。使用STM32F107VC處理器的SPI總線(xiàn)實(shí)現與SD卡的存儲接口。

2 遠程監控終端軟件設計

遠程監控終端的性能和效率由系統軟件直接決定。遠程監控終端將現場(chǎng)傳感器采集的數據進(jìn)行分類(lèi)整理過(guò)濾，形成有效信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)地上報給監控中心的通信服務(wù)器。接收通信服務(wù)器的指令控制執行機構的動(dòng)作，根據現場(chǎng)數據進(jìn)行預判，當數據達到報警條件時(shí)，立即將報警信息報送監控中心處理。由于遠程監控終端位于數據采集與監視控制系統的最遠端，經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、地理位置偏僻的站點(diǎn)，還應具備遠程配置的功能。