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工业数据解析及传输服务器电路设计研究

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摘要:工业现场存在大量的类型各异的数据,实现快速实时数据采集与上传是目前制造业急需解决的问题。设计了基于STM32F103C8T6单片机的模块化工业数据解析与传输服务器设计,对各种参数实时采集和处理,以满足工业现场应用需求。经过测试该设计的数据解析及传输服务器可直接解析各类数据和提取设备控制参数,具有传输距离远、低功耗、穿透力强、宽电压输入、安装便利等优点。

关键词:STM32F103C8T6;数据采集;解析;传输

引言

“工业4.0”是未来工业的发展方向,随着物联网技术被广泛地运用在工业生产中,多种多样的传感器被大量部署在工业生产环境中,将会产生大量的数据,而且这些数据的种类繁多,对数据采集系统提出了挑战[1-2]。本文作者设一款计解析解码包括PLC数据在内的各类工业数据,并将数据通过WiFi\NB_IoT\LoRa等无线传输方式上传至MES等工业控制平台,主要应用于工厂智能化改造的工业数据解析及传输服务器。实现标准、法律法规等要求的设计设想,具备如下性能:-40~85℃工业温度,可兼容WiFi\NB_IoT\LoRa等无线传输方式,解析各类生产设备的工作状态,解析RS485/422/232数字信号,解析MODBUS工业总线协议,解析各类型PLC数据协议。尺寸小于或等于131mm×62mm×26mm,金属外壳;SMA外接天线接口;RS232接口;RS485接口;IO扩展口。下文对工业数据解析及传输服务器硬件设计进行介绍。

1STM32F103C8T6单片机

该工业数据解析及传输服务器本数据采用STM32F103C8T6单片机,该单片机是一款集成电路,需要电压2~3.6V,工作温度为-40~85℃[3]。STM32F103C8T6单片机集成丰富的片内外设,如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口等,只需要电源电路、时钟电路、复位电路、启动配置电路和调试电路5个部分就可以构建一个STM32微控制器的最小系统。具有成本低、速度快、性价比高等优点[4]。STM32F103C8T6单片机电路设计图如图1所示。

2FLASH

在目前所有的非易失性存储器(PROM、E-PROM、EEPROM和Flash)中,唯有Flash存储器几乎拥有现今讲究个性化的用户所需的所有特点,它具有掉电数据不丢失、快速的数据存取速度、电可擦除、容量大、在线可编程、价格低廉以及足够多的擦写次数(一百万次)和较高的可靠性等诸多优点,因而已成为新一代嵌入式应用(如数字相机和MP3播放机)的首选存储器[5-6]。在本服务器的Flash采用W25Q64,该型号Flash存储器,相比一般存储器占用PCB面积更小,使用更加灵活。

3电源模块

由于单片机的工作电压是2~3.6V,这是一种比较低电压的工作状态,并且对供电的质量要求很高,也就是说对供电的稳定性能要求很高,直接给提供开关电源电压是不可靠的方法,影响电路系统的稳定性,所以选择DC-DC电源芯片RT7272B与稳压器AMS1117为STM32F103C8T6供电。RT7272B为高效率电流模式操作的同步降压型DC/DC转换器,在输入电压范围4.5V至36V间,可输出电流达3A。整合了高端150mΩ与80mΩ低端的MOSFET以达到95%的高转换效率。电流模式的控制架构可支持快速的瞬时响应与简易的补偿方式。逐周期形式的限流机制可在输出短路时提供电路保护作用,内建的缓启动机制则可消除启动瞬间的输入电流涌浪的问题。此外RT7272B提供了完整的保护功能,例如输入低电压锁定机制,输出低电压保护、过电流保护与与热关断保护功能。RT7272B采用SOP-8(裸露焊盘)的封装规格。电路图如图2所示。

4RS-485收发器

SP3481和SP3485是一系列+3.3V低功耗半双工收发器,它们完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求。这两个器件与Sipex的SP481、SP483和SP485的管脚互相兼容,同时兼容工业标准规范。SP3481和SP3485符合RS-485和RS-422串行协议的电气规范,数据传输速率可高达10Mb/s(带负载)。SP3481还包含低功耗关断模式(见图3)。

5RS232-TTL转换电路

单片机与电脑之间的电平转换采用SP3232E芯片。该芯片在+3.0V至+5.5V供压下,符合真正的EIA/TIA-232-F标准,满负载情况下,最小传输速率120kb/s,1μA低功耗关断模式,兼容RS-232接口,电源可低至+2.7V。电路原理图如图3所示。

6总结

本文设计的数据解析及传输服务器可直接解析各类数据,提取设备控制参数;支持RS48和RS232数据接口;支持MODBUS协议;支持5路独立BOOL开关量隔离;采用工业级设计,工业温度支持-40~85℃;具有多重包含功能,防反接包含、防浪涌报、过流保护、雷电保护和静电保护;支持流量控制功能;支持通过LORA无线数据传输,具有传输距离远,低功耗,穿透力强等特点;宽电压输入;安装便利,可支持轨道安装等多种安装方式。成品如图4所示。

参考文献:

[1]李珏,赵继德.一种工业控制数据采集系统硬件平台设计[J].计算机测量与控制,2009,17(8):1648-1650.

[2]方鑫,王杰,冯攀峰,等.基于双主板架构的数据采集装置设计与实现[J].工业控制计算机,2017,30(5):16-17.

[3]龙顺宇,郑泽龙,谭冬凤.基于STM32和SD卡文件系统的非特定人语音识别系统设计[J].现代电子技术,2013(21):62-66.

[4]易映萍,段丙勇,黄松,等.基于STM32的可视化控制系统的设计[J].信息技术,2014(2):1-4.

[5]郑于桦,殷瑞祥.单片机闪存的控制单元设计[J].电子与封装,2006,6(4).

[6]陈柯勋,王振田,王飞.基于FPGA和USB2.0的数据采集系统[J].工业技术创新,2017,4(5):12-15.

作者:华洋杰 张春苗 单位:嘉兴职业技术学院

工业数据解析及传输服务器电路设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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