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工业CGI现场监控系统设计

范文

孙在尚+李庆达+米热班古丽

【摘要】为了实现对工厂环境监控信息的事实传输，提出了一種基于STM32F103系列单片机的工业CGI现场监控系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主留有多种通信方式接口封装，软件部分采用C语言进行编程，能够完成对工业环境的实时监控数据进行传输。实际应用表明，该系统具有操作简便、抗干扰能力强的特点。

【关键词】工业CGI STM32F103系列 C语言单片机

一、系统功能及智能网关部分功能概述

系统要求监测的工厂环境信息和连接的PLC设备运行信息能够及时的上传到手持终端或电脑终端，通过手持终端或电脑客户端能够实时了解受监控设备的运行状态并能够对一些实时性要求不太强、不影响生产过程的简单操作进行控制。选用的芯片以及其他硬件设备具有可靠地稳定性，下层节点具有适应严酷环境的能力（宽泛的温度适应域，90%以上的空气湿度，可靠地抗电磁干扰能力）。为了适应严酷环境，提高系统稳定性，系统主控芯片采用STM32F103系列。为提高系统的开放性及兼容性，下层设计成分层式，智能网关只负责数据流向，不再负责数据处理，节点负责数据处理。为了更好地适应工厂环境，通讯方式可选网线，485，ZIGBEE等，只能网关留有统一的接口，通讯方式封装到板卡上，直接插到网关上。

二、系统硬件设计

2.1硬件架构与要求

经过充分的调研，我们发现工业现场环境严酷，为提高系统的稳定性和适应严酷环境的能力。系统需要宽泛的温度适应域。在90%以上的空气湿度（无凝水现象）的环境中，系统能可靠稳定的工作。另外系统还要有可靠地抗电磁干扰能力和抗振动能力。

为了提高系统的抗干扰能力（雷击、过电压、过电流），系统需进行避雷、防过压过流设计。为确保系统高可靠性运行，减少故障的发生，系统主控芯片采用STM32F103系列或飞思卡尔K60系列。工厂设备间通信协议多且复杂的特点，且一般PLC都支持MODBUS协议，为了通信统一，整个系统的通信协议都采用MODBUS 协议。为了兼容其他没有采用MODBUS协议的设备，需制作一协议转换模块，将其他通信协议转化为MODBUS协议。为了更好地适应工厂环境，通讯方式可选网线、485、ZIGBEE等多种通信方式以提高系统的开放性及兼容性。

2.2硬件设计

系统硬件主要由主控部分、电源部分、通信接口部分组成。

2.2.1主控部分

1、主控芯片

ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核，1.25DMips/ MHz，而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz，一流的外设， 1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度，低功耗，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），待机时下降到2μA，最大的集成度，复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等，简单的结构和易用的工具，STM32F10x参数，2V-3.6V供电，容忍5V的I/O管脚，优异的安全时钟模式，带唤醒功能的低功耗模式，内部RC振荡器，内嵌复位电路，工作温度范围：，-40℃至+85℃或105℃，STM32F101性能，36MHz CPU多达16K字节SRAM 1x12位ADC温度传感器。

2.2.2电源部分

系统采用24伏稳压直流电源供电。系统设有三个接线端口，分别链接外部电源的正负电极和大地。在总电源电源电路中接入压敏电阻，压敏电阻具有很好的防雷、过压保护作用。智能网关主控需要3.3伏电源，通信模块需要5伏电源。为提高系统的可靠性和稳点性，通信模块和主控模块分开供电。分别采用两个功率分别为2W和14W的DC/DC电源降压模块将24伏电源降压到5伏给主控和通信模块供电。DC/ DC电源降压模块具有体积小、功耗小、电压稳定、精度高、抗干扰能力强等特点，更重要的是DC/DC电源降压模块隔离保护后续电路的作用。将功率为2W的DC/DC电源降压模块降压得到的5伏电源用LM1117芯片转3.3伏后给主控芯片供电。将功率为14W的DC/DC电源降压模块降压得到的 5伏电源给通信模块供电。

2.2.3通信接口部分

主板板上共有四个并联的接口每个接口上有地址线、网卡接口、485接口和ZigBee。每个端口均可插入任何通讯接口，每个接口同时只允许一种接口插入，根据需要临时插入即可使用。通信接口和主控之间通过光电耦合链接。

系统接口输入输出外设采用USR-TCP232-T以太网—串口模块，该模块能将TCP网络数据包或UDP数据包与RS232接口数据实现透明传输，网络转串口模块 USRTCP232-T是连接串口设备到网络的桥梁，借助此模块，可以轻松实现设备联网管理和控制功能。

三、软件架构与要求

3.1智能网关系统软件运行结构图

四、结论

该工业CGI现场监控系统采用具有高数据数据处理的能力，软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。系统具备可靠地抗电磁干扰能力和抗振动能力。实际测试表明该测试系统具有稳定可靠、使用简单等特点，达到了设计要求。

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