摘  要： 基于Cortex-M3內核的ARM芯片STM32F107所構建的車橋追溯管理系統終端，采用以太網進行數據傳輸，嵌入μC/OS-II實時操作系統和LwIP協議棧，實現多任務的管理，優化數據的傳輸。實驗表明，終端系統穩定，人機對話界面友好，數據能快速、大量、有效傳輸，具有很好的應用前景。
關鍵詞： 車橋總成；STM32F107；以太網；μC/OS-II；LwIP協議棧

　車橋生產企業錄入VIN編碼時，經常發生人為失誤，如工人在記錄時的字跡模糊不清、錄入員在錄入時的操作過失、遺漏單據等現象，阻礙了整個車橋安裝進程的進度，降低了勞動生產率，直接影響著企業的經濟效益[1]。至此，實時錄入工位車橋總成信息的終端具有應用的現實意義。由STM32F107構建的車橋追溯管理系統終端，通過以太網進行數據傳輸，同時嵌入μC/OS-II實時操作系統實現多任務管理，將工位總成信息傳至PC機以進行統一管理。
1 總體方案
　終端采用基于Cortex-M3內核的ARM芯片STM32F107為處理器，構建STM32應用電路、以太網通信電路、人機接口電路、指示報警電路、電源電路，結構框圖如圖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工序對應的工位，實現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，實現總成橋類型、數量按當班總調度的要求實時調度與控制。

　　　　終端的數據傳輸方式如圖2所示。PC機作為以太網

2 硬件設計
　終端硬件分為STM32應用單元、以太網通信單元、人機接口單元、指示報警單元等。
2.1 STM32應用單元
　STM32F107是一款性價比極高的微控制器，它集成了豐富的外圍功能模塊，可滿足多種應用場合，適宜于實時控制[2]。STM32的系統時鐘可來自3個不同的時鐘源，本終端采用HSE時鐘為高速外部時鐘信號，通過OSC_IN接入一個最高為25 MHz占空比為50%的外部時鐘信號提供系統所需的時鐘基準。復位方式為系統外部復位，通過按下獨立按鍵，向NRST引腳輸入低電平，完成復位。STM32的內核集成了串行線/JTAG調試接口用于接調試器，便于程序的調試。
2.2 以太網通信單元
　以太網通信電路，如圖3所示。通過STM32F107的MAC接口與以太網驅動芯片DP83848構成的的PHY（物理層）接口相連接，再與網絡變壓器、RJ45插槽相連接，從而實現網絡通信。STM32F107以太網模塊支持兩種模式接口：獨立介質接口（MII）和簡化獨立介質接口（RMII）[3]。設計選擇獨立介質接口（MII），它需要16根數據和控制信號的引腳，支持10 Mb/s、100 Mb/s數據傳輸。

　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，自動協商功能使能，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地址默認為00001（01h）。
2.3 其他單元
　人機接口單元包括PS2鍵盤電路與LCM屏電路，主要用于人機信息的交互。指示報警單元利用LED燈和蜂鳴器對終端的運行情況進行指示、報警，包括網絡連接診斷指示、以太網通信指示、終端運行狀況指示和硬件錯誤指示，當終端出現硬件錯誤與通信錯誤時，除了LED外，報警電路的蜂鳴器同時響起。電源單元采用美國國家半導體LM2576HVS-3.3芯片將直流+48 V轉換為直流+3.3 V，為整個終端提供可靠、穩定的電能。
3 軟件設計
　軟件上嵌入μC/OS-II實時操作系統[4]，建立以太網通信、人機接口、指示報警、終端選擇等任務，通過μC/OS-II任務調度，完成任務的切換與運行。嵌入LwIP協議棧，實現TCP/IP協議層的構建。
3.1 LwIP協議棧移植
　μC/OS-II是一個開放源碼的實時操作系統，它只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的充分支持[5]。而LwIP TCP/IP在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十KB的RAM和約40 KB的ROM就可以運行，這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。它與系統其他部分的相對位置關系如圖4所示。

　sys_arch.h中的內容是與OS相關的一些結構和函數，分為四個部份：
?。?）sys_sem_t數據結構及信號量函數
　struct sys_sem_t；sys_sem_new（）；
　sys_sem_free（）；sys_sem_signal（）；
　sys_arch_sem_wait（）；
　（2）sys_mbox_t消息函數
　sys_mbox_new（）；sys_mbox_free（）；
　sys_mbox_post（）；sys_arch_mbox_fetch（）；
　（3）系統超時函數
　struct sys_timeouts*
　sys_arch_timeouts（void）
?。?）創建新線程函數
　void sys_thread_new（void（*thread）（void*arg），void*arg）；
3.2 任務劃分和資源分配
　μC/OS-II是專為嵌入式應用設計的公開源代碼的搶占式實時操作系統，它把系統軟件分割成多個任務，每個任務負責完成相應工作，系統功能由多個任務協作完成[6]。任務分配方案的好壞將直接影響軟件編寫效率和性能，系統任務分配如表1所示。在起始任務中建立了一系列的郵箱信號來協調各個任務的運行，資源分配如表2所示。

　終端μC/OS-II系統設置為每隔50 ms進行一次任務切換，以太網任務用于以太網數據的發送與接收；終端選擇任務是通過功能按鍵中斷觸發來選擇任務，進入終端選擇界面之后，根據界面的提示，通過PS2鍵盤選擇終端類型；人機接口任務主要完成人機信息的交互；指示報警任務則是最終端的運行狀況進行檢測、指示、報警。
　在μC/OS-II平臺下，各個任務對資源的申請，以及任務間的通信通過操作系統的消息管理模塊來進行，可保證任務與任務之間的耦合性最小，增加了系統的穩定系數。
3.3 以太網通信任務
　STM32F107的以太網模塊支持通過以太網收發數據，符合IEEE 802.3-2002標準，通過外接的PHY接口，支持10 Mb/s、100 Mb/s秒的數據傳輸速率。
?。?）以太網任務初始化。針對此任務的變量、標志位以及LwIP協議棧初始化，其包括Heap型內存初始化，Pool型內存初始化，網絡配置初始化，宏定義初始化等。
?。?）以太網數據發送與接收。上橋終端發送給工位終端的橋號先傳給PC機，再由PC機轉發給工位終端。如果由上橋終端直接發送給工位終端，則上橋終端既作服務器，又做客服端，這樣增加了終端程序的任務量，至此，將更多的數據傳輸交給PC機，充分利用PC機的高效性。以太網的數據在以太網中斷程序接收，通過μC/OS-II建立的以太網郵箱，將接收到的數據以郵件的形式“投遞”到以太網任務進行處理。有以太網郵件的到來才會激活以太網任務，否則，以太網任務一直處于掛起狀態。根據終端的類型將接收到的有效數據存儲至STM32F107自帶的Flash中，防止掉電意外丟失。同時對數據進行處理，通過以太網發送到相應的PC或者終端中。以太網通信任務流程圖如圖5所示。

　終端上電后，如果是第一次啟動，尚未選擇終端類型，需要按下功能鍵，程序會自動進入終端選擇界面，通過PS2鍵盤選擇相應的終端，工位終端的選擇。
　利用“網絡調試助手軟件”模擬上位機軟件，用來發送和接收各終端的信息。終端作為客戶端，PC機作為服務器。在“網絡調試助手軟件”對話框中設置好IP號、端口號，等待各終端的連接，各終端成功連接之后便可以進行數據傳輸。上橋終端接收到VIN碼后，將其顯示在液晶屏上，通過PS2鍵盤的確認鍵，每按一次，就發送一組VIN碼給工位終端。工位終端接收到VIN碼后，進入錄入數據界面，如圖7所示。輸入工序數，確認無誤后，再依次輸入分成號、工序號、操作者號，點擊確認鍵，數據通過以太網上傳給PC機。

　車橋追溯管理系統終端結合μC/OS-II和以太網技術技術實現了數據遠程與實時傳輸。μC/OS-II實時操作系統的嵌入，大大提高了微處理器利用效率；多任務的建立，既加強了各外設的聯系，又優化了以太網數據的傳輸。實驗表明，此終端系統穩定，人機對話界面友好，以太網數據能快速、有效傳輸，具有廣闊的市場前景。
參考文獻
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