工業數據解析及傳輸服務器電路設計研究范文

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摘要：工業現場存在大量的類型各異的數據，實現快速實時數據采集與上傳是目前制造業急需解決的問題。設計了基于STM32F103C8T6單片機的模塊化工業數據解析與傳輸服務器設計，對各種參數實時采集和處理，以滿足工業現場應用需求。經過測試該設計的數據解析及傳輸服務器可直接解析各類數據和提取設備控制參數，具有傳輸距離遠、低功耗、穿透力強、寬電壓輸入、安裝便利等優點。

關鍵詞：STM32F103C8T6；數據采集；解析；傳輸

引言

“工業4.0”是未來工業的發展方向，隨著物聯網技術被廣泛地運用在工業生產中，多種多樣的傳感器被大量部署在工業生產環境中，將會產生大量的數據，而且這些數據的種類繁多，對數據采集系統提出了挑戰[1-2]。本文作者設一款計解析解碼包括PLC數據在內的各類工業數據，并將數據通過WiFi\NB_IoT\LoRa等無線傳輸方式上傳至MES等工業控制平臺，主要應用于工廠智能化改造的工業數據解析及傳輸服務器。實現標準、法律法規等要求的設計設想，具備如下性能：-40~85℃工業溫度，可兼容WiFi\NB_IoT\LoRa等無線傳輸方式，解析各類生產設備的工作狀態，解析RS485/422/232數字信號，解析MODBUS工業總線協議，解析各類型PLC數據協議。尺寸小于或等于131mm×62mm×26mm，金屬外殼；SMA外接天線接口；RS232接口；RS485接口；IO擴展口。下文對工業數據解析及傳輸服務器硬件設計進行介紹。

1STM32F103C8T6單片機

該工業數據解析及傳輸服務器本數據采用STM32F103C8T6單片機，該單片機是一款集成電路，需要電壓2~3.6V，工作溫度為-40~85℃[3]。STM32F103C8T6單片機集成豐富的片內外設，如看門狗、定時器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口等，只需要電源電路、時鐘電路、復位電路、啟動配置電路和調試電路5個部分就可以構建一個STM32微控制器的最小系統。具有成本低、速度快、性價比高等優點[4]。STM32F103C8T6單片機電路設計圖如圖1所示。

2FLASH

在目前所有的非易失性存儲器(PROM、E-PROM、EEPROM和Flash)中，唯有Flash存儲器幾乎擁有現今講究個性化的用戶所需的所有特點，它具有掉電數據不丟失、快速的數據存取速度、電可擦除、容量大、在線可編程、價格低廉以及足夠多的擦寫次數(一百萬次)和較高的可靠性等諸多優點，因而已成為新一代嵌入式應用(如數字相機和MP3播放機)的首選存儲器[5-6]。在本服務器的Flash采用W25Q64，該型號Flash存儲器，相比一般存儲器占用PCB面積更小，使用更加靈活。

3電源模塊

由于單片機的工作電壓是2~3.6V，這是一種比較低電壓的工作狀態，并且對供電的質量要求很高，也就是說對供電的穩定性能要求很高，直接給提供開關電源電壓是不可靠的方法，影響電路系統的穩定性，所以選擇DC-DC電源芯片RT7272B與穩壓器AMS1117為STM32F103C8T6供電。RT7272B為高效率電流模式操作的同步降壓型DC/DC轉換器，在輸入電壓范圍4.5V至36V間，可輸出電流達3A。整合了高端150mΩ與80mΩ低端的MOSFET以達到95%的高轉換效率。電流模式的控制架構可支持快速的瞬時響應與簡易的補償方式。逐周期形式的限流機制可在輸出短路時提供電路保護作用，內建的緩啟動機制則可消除啟動瞬間的輸入電流涌浪的問題。此外RT7272B提供了完整的保護功能，例如輸入低電壓鎖定機制，輸出低電壓保護、過電流保護與與熱關斷保護功能。RT7272B采用SOP-8(裸露焊盤)的封裝規格。電路圖如圖2所示。

4RS-485收發器

SP3481和SP3485是一系列+3.3V低功耗半雙工收發器，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協議的要求。這兩個器件與Sipex的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時兼容工業標準規范。SP3481和SP3485符合RS-485和RS-422串行協議的電氣規范，數據傳輸速率可高達10Mb/s（帶負載）。SP3481還包含低功耗關斷模式(見圖3）。

5RS232-TTL轉換電路

單片機與電腦之間的電平轉換采用SP3232E芯片。該芯片在+3.0V至+5.5V供壓下，符合真正的EIA/TIA-232-F標準，滿負載情況下，最小傳輸速率120kb/s，1μA低功耗關斷模式，兼容RS-232接口，電源可低至+2.7V。電路原理圖如圖3所示。

6總結

本文設計的數據解析及傳輸服務器可直接解析各類數據，提取設備控制參數；支持RS48和RS232數據接口；支持MODBUS協議；支持5路獨立BOOL開關量隔離；采用工業級設計，工業溫度支持-40～85℃；具有多重包含功能，防反接包含、防浪涌報、過流保護、雷電保護和靜電保護；支持流量控制功能；支持通過LORA無線數據傳輸，具有傳輸距離遠，低功耗，穿透力強等特點；寬電壓輸入；安裝便利，可支持軌道安裝等多種安裝方式。成品如圖4所示。

參考文獻：

［1］李玨，趙繼德.一種工業控制數據采集系統硬件平臺設計［J］.計算機測量與控制，2009，17（8）：1648-1650.

［2］方鑫，王杰，馮攀峰，等.基于雙主板架構的數據采集裝置設計與實現［J］.工業控制計算機，2017，30（5）：16-17.

［3］龍順宇，鄭澤龍，譚冬鳳.基于STM32和SD卡文件系統的非特定人語音識別系統設計［J］.現代電子技術，2013（21）：62-66.

［4］易映萍，段丙勇，黃松，等.基于STM32的可視化控制系統的設計［J］.信息技術，2014（2）：1-4.

［5］鄭于樺，殷瑞祥.單片機閃存的控制單元設計［J］.電子與封裝，2006，6（4）.

［6］陳柯勛，王振田，王飛.基于FPGA和USB2.0的數據采集系統［J］.工業技術創新，2017，4（5）：12-15.

作者：華洋杰 張春苗 單位：嘉興職業技術學院