邹晓康，刘帅，张浩然
（浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华321004）
摘要：基于STM32平台，设计一种基于工业现场总线RS485、CAN和有线以太网的嵌入式多协议半双工交叉通信的网关产品，主要采用STM32高性能ARM处理器作为核心控制芯片，实现RJ85、UART、CAN双向透明传输设计、MODbusTCP转MODbus单向半双工传输设计、MODbusTCP转CANopen单向半双工传输设计，在现代工业现场具有很好的推广价值。
关键词：嵌入式系统；多协议网关；RJ85;CAN；RS485；STM32
0引言
随着传感器、无线通信、工业现场总线、嵌入式系统等技术的发展，物联网已经广泛应用于仓储物流、智能电网、公共安防、智能楼宇等领域。物联网的核心思想就是把任何物体都连到互联网中，其中起到重要作用的便是网关。便携式多协议网关现在在电子市场是一个新兴产品［1］。当前市面所能看到的网关都是针对互联网开发的，主要是将不同的局域网（以太网、令牌网等）互联到Internet上。没有特定针对工业现场总线开发的网关产品，购买到的USB转CAN模块、USB转RS232/RS485模块等都是单接口转换［2］，简单实现了硬件接口的匹配问题，缺少以太网和CAN、MODbus等多种工业现场总线互转的模块。
1系统设计
基于STM32嵌入式多协议网关根据市面上在嵌入式工业网关方面的不足、空缺和需求，从工程应用角度研发一种基于工业现场总线CAN、RS485/232和有线以太网的嵌入式多协议半双工交叉通信的网关产品［3］。系统采用高性能32位ARM处理器STM32F407。主要研究内容包括：移植和优化轻量LWip、freeMODbus、CANfestival通信协议，使其高速运行在ARM处理器上，实现嵌入式多协议网关设计。首先，在没有使用应用层协议情况下，实现的通信方式主要为双向透明传输模式：Ethernet与CAN接口互转、Ethernet与RS485/232接口互转、RS485/232与CAN接口互转，CAN、RS485/232接口可设置其传输的数据的波特率、字节大小等。
在添加了应用层协议情况下，实现的通信方式是：MODbusTCP转MODbus单向半双工传输设计，MODbusTCP转CANopen单向半双工传输设计。调度算法的设计，实现多协议半双工交叉通信，解决任务切换、信息缓存、信息阻塞和误码等问题，给出了程序软件设计方案和思路。
2系统硬件设计
图1外观结构图嵌入式多协议网关的外观结构如图1所示，包括以太网接口端子1、液晶显示接口端子2、电源接口端子3、网关主体4、调试接口端子5、模拟信号检测接口端子6、数字信号检测接口端子7、RS232接口端子8、CAN接口端子9、RS485接口端子10。
设计中以太网链路层采用主控芯片STM32F407内部自带的媒体访问控制器MAC实现， MAC与物理层芯片通过RMII接口通信，物理层采用DP83848实现，集成极性检测和校正10/100BaseT端口，内部集成高性能的DMA。
为了有效保护DP83848芯片和系统的安全，其输出端通过变压器隔离模块HR911105A进行隔离保护，输入、输出差分线通过50 nF电容进行滤波处理，屏蔽高频信号的干扰，震荡电路采用集成的50 MHz有源晶振，保证输出的时钟信号饱满、圆滑。网络隔离模块如图2所示。
TD301D485H-A是一款集隔离电源和数据收发功能于一体的RS485总线收发隔离模块。该芯片主要功能是将逻辑电平信号转换为RS485接口协议的差分电平信号，实现信号匹配。通信波特率高达115 200 b/s，同一网络可支持32个节点连接。EMC防护电路如图3所示。
TD301D232H是一款集隔离电源和数据收发功能于一体的RS232总线收发隔离模块。其该芯片主要功能是将逻辑电平信号转换为232协议的电平信号，实现信号电平匹配，通信波特率高达115 200 b/s。EMC防护电路如图4所示。
TD301DCANH3是一款集隔离电源和数据收发功能于一体的CAN总线收发隔离模块。主要功能是将逻辑信号电平转换为CAN接口总线的差分信号电平，实现信号匹配；波特率可达1.0 Mb/s，同一网络可支持110个节点连接，电磁抗干扰性高辐射低。EMC防护电路如图5所示。
3软件设计
3.1透传模式
STM32F407所提供的DMA功能非常强大，支持Ethernet、CAN、RE485/232、IIC、SPI等接口。工作流程如图6所示，分别为以太网、CAN接口分配了数据缓存区，大小1.25 KB，该缓存区是单向传输的，只接收高速接口的有效数据并进行缓存，然后将缓存的数据发送给低速的接口。以太网接口数据缓存区的数据可以发送到CAN接口和RS串口，而CAN接口的数据缓存区的数据只需要发送给RS串口就可以了，通过该缓存区的建立，可以解决高速接口向低速接口传输数据的阻塞现象。
3.2MODbusTCP转MODbus半双工传输
网关采用MODbus TCP Slave与MODbus RTU/ASCII异步通信方式。网关从以太网接口接收到请求报文信息，在发送到RS232/485接口时，要做报文的解析转换工作，MODbus TCP相对串行链路MODbus，去掉了从机地址、校验码，添加从设备的ID号，做好CRC校验，删除MBAP包头，组合成完整的MODbus报文。
MODbus从机接收到相应请求报文，会返回对应的响应报文，该报文是一帧完整的MODbus报文，网关系统将该帧信息通过以太网接口发送出去之前，要进行Transaction ID添加、Protocol ID添加、Length添加、Unit ID添加组成一个MBAP包头，再将相应的CRC校验删除，就构成了一帧完整的MODbus TCP报文。
该网关系统另外一个特点是最多可支持8个MODbus TCP主站连接到网关上，允许8个用户同时访问相同的MODbus从机设备，实现方法如图7所示。
MODbus TCP主站1~主站8同时与网关设备进行TCP连接，每一个主站都可以访问连接在网关上的32个设备MODbusRTU/ASCII从机1~从机32，并且每个MODbus TCP主站都有一个独立的报文缓存区，作用描述如图7所。当多个主站设备同时访问从机设备时，如果不做相关的处理则会出现信息阻塞现象。为了解决该问题，系统中实现了一个报文解析及逆解析的优先级控制算法，实现过程如下：
（1）将8个报文缓存区构建为一个缓存队列；
（2）每当一个主机设备连接网关时，建立TCP连接时系统会动态地开辟一段报文缓存区，添加到队列中区，TCP连接断开时，该缓存区便会删除回收数据内存；
（3）读取报文时，每从一个缓存区读取一帧有效报文数据，处理结束时，便会读取下一个缓存区的数据，而不会继续读取同一个缓存区的数据，这样可以保证每个主机设备的响应时间均等，提高速度。
（4）当缓存区的数据溢出时，系统不会再接收请求报文，而是丢弃。
3.3MODbusTCP转CANopen半双工传输
MODbusTCP转CANopen可以实现1个MODbus TCP主站与多个CANopen从站设备之间的数据通信。
如图8所示，Data 1表示从MODbus TCP协议总线到CANopen协议总线的数据传输过程；Data 2表示从CANopen协议总线到MODbus TCP协议总线的数据传输过程。
网关独立运行在CANopen网络协议上，根据对象字典索引号周期性地发出CANopen的SDO读/写命令，通过过程数据对象PDO发送和接收数据。同时MODbus TCP主站发送的命令信息被网关接收，当MODbusTCP发送的I/O数据请求报文被收到时，立即刷新和读取最新CANopen缓存的数据，以此实现网络高低速度的匹配。
4系统测试
4.1透传测试
实验过程都是在发送间隔为100 ms、传输次数为10 000下测试通过的，测试了不同传输速率情况下的传输误码率。其中，表1中的传输速率主要是针对串口RS485/232进行设置的。
4.2应用协议转化测试
MODbusTCP转MODbus和MODbusTCP转CANopen，都是通过功能码16,可以连续写入多个数据，以起始地址1000、时间间隔1 000 ms向设备ID为1的MODbus从设备连续写入30个数，1~10、100~1000、1000~10 000，写操作成功，如图9所示。
通过功能码03可以连续读取多个数据，以起始地址1000、时间间隔1 000 ms从设备ID为1的MODbus从设备连续读30个数，成功读取到上次写入的数据。读操作如图10所示。
5结论
通过上面的测试结果看到，系统运行稳定性很好。但从表1可以发现，在透传的过程中，低速接口的传输速率较慢时，如TCP & RS485/232中RS485/232的速率为4 800 b/s时，便会出现0.31%的误码率，其主要原因是，透传通路两端接口的传输速率相差过大时缓存区溢出，可以通过加大缓存区来解决。
参考文献
［1］ 沈永春，姜宁，张功镀.嵌入式多协议网关的设计与实现［J］.自动化仪表，2007，28（3）:812.
［2］ 鲍建行.嵌入式TCP/IP协议栈LWIP的并发性能优化［D］.北京：北京交通大学，2011.
［3］ 张厚林.CAN open通讯协议设计与实现［D］.武汉：华电科技大学，2009.