多总线采集嵌入式实时系统的设计与实现

发布时间：2020-06-17 10:20

【摘要】：随着物联网的快速发展以及各行各业新需求的不断涌现,物联网终端所需要实现的功能不仅越来越多也越来越复杂。然而,目前数据采集类的物联网终端采集功能定位单一,造成开发生产过程中重复性劳动增多,效率低下。因此,对于数据采集类的物联网终端,开发一套完整、高效、扩展性好、实时性强,面对不同的采集情景都适用的多总线采集嵌入式实时系统的要求十分迫切,这也对提高企业的经济效益,推动国家物联网产业的迅速发展具有十分重要的意义。对于系统硬件设计方案,本文将硬件分为MCU,采集,存储以及通信四个模块,也预留了其他接口,方便扩充。本文中对于系统软件设计方案,采用面向对象的设计思想,以通用、实用为目标,整体划分为:数据采集层、任务控制层、数据链路层、协议层、通信层。各层之间通过公共接口联系,避免了深度耦合,方便开发及扩展。为将系统移植到基于STM32F4系列芯片的物联网终端上,本文依据硬件环境对系统空间做了划分、实现了系统引导程序。对于多总线采集部分,本文分别介绍了USART、RS232、RS485、CAN、IIC总线以及相关的外围电路原理图设计。然后介绍了部分数据采集任务的实现,包括USART接口上的双模定位任务和无线通信状态机任务、RS232总线上的UPS数据采集任务、RS485总线上的MODBUS协议处理任务、CAN总线协议处理任务和IIC总线上的IC卡操作任务。除此之外,本文还设计了一种多总线策略,在面对多种采集方式、多种通讯协议以及多种传感器的物联网终端使用环境,给出了一种可配置化方案,拓展了终端的使用范围,减少了开发生产过程中的重复劳动。同时,本文为解决多总线同时采集数据的过程中遇到的丢包问题,构建了一个BP神经网络模型,采用离线训练的方式训练出一种可预测多总线中断优先级方案的神经网络,并使用测试集进行测试,得出使用BP神经网络进行多总线中断优先级方案的预测具有一定的准确性,有一定的使用价值但仍需改进。最后给出了多总线采集嵌入式实时系统的一个物联网终端实物图,对系统进行集成测试,并介绍了总线策略配置的功能,给出终端系统的一个应用实例。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274.2;TP391.44;TN929.5
【图文】：

原理图,电路设计,原理图,电平信号

4.2 各总线逻辑电路设计本文主要基于 STM32F4 系列微控器所具备的总线接口进行多总线设计，主要包含 USART、RS232、RS485、CAN、IIC、GPIO 等。设备通过 GPIO 与 MCU 的连接，中间不需要复杂的转接，这里不再赘述。其余模块具体外围电路如下：4.2.1 RS232 转接模块串口在嵌入式终端开发以及使用的过程中占据着极大的作用，不但是终端运行过程中与外部设备通信的主要接口，也是系统软件调试的主要手段。STM32F最多支持六路串口，资源相当丰富，但是由于 MCU 自带串口电压低，使用的是TTL 电平信号，所以 MCU 自带串口只用来在开发过程中对软件进行调试。TTL 电平信号用来在计算机等设备内部传输数据比较理想，但工业控制和设备数据采集对传输距离以及热损耗的要求较高，所以一般将 TTL 电平信号的串口转换为使用RS232 电平的串口。本文选用 SP3232 芯片作为 TTL 电平到 RS232 电平的转换芯片，使用 MCU 的 USART1 来进行转换，具体电路设计如图 4-1 所示。

原理图,电路设计,原理图,收发芯片

电子科技大学硕士学位论文.2.2 RS485 转接模块RS485 与 RS232 电气特性不同，使用差分信号来传递数据。优点在于接口电平与TTL电平兼容，可以方便的将RS485收发芯片与MCU的串口电路连接以 RS485 除了是半双工的通信方式外，与串口通信的操作方式大致相同。虽用半双工的方式，但其传输距离远，支持节点多，抗干扰能力强。本文采AX3485 作为 RS485 收发芯片，使用 MCU 的 USART6 与 RS485 芯片连接， PB8 作为 485_RE 信号，电路设计如图 4-2 所示。

【参考文献】