面向工业传感器的多协议数据转换网关设计.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 1 期收稿日期:2023-08-04面向工业传感器的多协议数据转换网关设计谭诚刚,许焕敏,傅 强河海大学机电工程学院 摘要:针对 RS485、CAN 传感器数据传输方式单一的问题,设计了一种多协议数据转换网关。网关以 STM32 为核心,外围搭建多种通信接口电路,并建立数据缓存机制以实现 RS485、CAN 传感器与RS232、以太网、LoRa 之间的数据传输。在 RS485、CAN 称重传感器与上位机的通信实验中,网关能及时准确地将传感器数据通过3 种通信接口发送到上位机,验证了设计的可行性,解决了2 类传感器数据传输渠道单一的问题。关键词:协议转换;RS485 传感器;CAN 传感器;LoRa;以太网;RS232中图分类号:TN914 文献标识码:ADesign of Multi-protocol Data Conversion Gateway for Industrial SensorsTAN Chenggang,XU Huanmin,FU QiangSchool of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai UniversityAbstract:Aiming at the problem of single data transmission mode of RS485 and CAN sensors,a multi-protocol data conver-sion gateway was designed.The gateway took STM32 as the core,a variety of communication interface circuits was built around it,and a data caching mechanism was established to realize data conversion between RS485 and CAN sensors and RS232,Ethernet and LoRa.In the communication experiment between RS485 and CAN weighing sensors and the host computer,the gateway can timely and accurately send data of sensor to the host computer through three communication interfaces,which verifies the feasibili-ty of the design and solves the problem of single data transmission channel for the two types of sensors.Keywords:protocol conversion;RS485 sensor;CAN sensor;LoRa;Ethernet;RS2320 引言利用 RS485 总线和 CAN 总线通信的传感器被用于工业领域的各种场合中,这 2 类传感器的数据一般还需通过另一种协议接口传输到上位机,但目前单一的数据传输方式存在数据传输受环境限制的问题,也无法满足未来工业物联网的数据传输要求,为此传感器引入不同的数据传输方案十分必要。郑美芳等1设计了 CAN 和以太网间网关,通过以太网可管理CAN 总线上的传感器。徐尚瑜等2研发了一种低功耗数据采集终端,该终端可采集各类 RS485 传感器信息,通过 Lora 下发传感器指令。宋志勇3设计了基于CAN 总线的称重数据采集系统,采集到的质量数据通过 WiFi 上传到云端。Tranca 等4将 ZigBee 技术用于不同总线的数据传输,可实现 RS485、RS232、RS422 设备与 ZigBee 的数据交互。曾伟5研发了一套针对CAN/RS485 传感器的数据采集系统,各基站可将采集到的传感器数据经过以太网汇聚到服务器,实现了对大量传感器的智能化管理。上述文献中的学者已设计出采集不同协议传感器数据的转换网关,但将采集到的传感器数据以不同形式传输给上位机的研究成果较少。本文设计了一种适用于 RS485/CAN 传感器的多协议转换网关,该网关能实现 CAN、RS485 传感器与RS232、以太网、LoRa 之间的数据转换,真正实现了传感器的多渠道数据传输,为传感器实现数据远距离无线传输和加入工业物联网提供了一种可行方案。1 系统方案设计要求设计的网关能实现 RS485、CAN 与以太网、RS232 串口、LoRa 的协议转换功能,根据应用需求确定的多协议转换网关通信总体结构模型如图 1 所示。网关的一端是 CAN 接口和 RS485 接口,连接到 RS485或 CAN 总线上,用于采集传感器数据;另一端有RS232 接口、RJ45 网口以及 LoRa 收发器,可实现传感器和管理机之间不同渠道的双向数据通信。由于网关涉及到的通信接口较多,故将 CAN、RS485 接口统称为数据采集接口,将 RS232、RJ45 以太网接口和LoRa 收发器统称为数据上传接口。已知 CAN 报文都由 CAN-ID 和 08 Byte 的数据07 第 1 期谭诚刚等:面向工业传感器的多协议数据转换网关设计 图 1 多协议数据转换网关通信总体结构图组成6。则定义上位机每次下发的单个数据包最长为 10 Byte,数据包的组成为报文发送设备 CAN-ID(2 Byte)加数据(8 Byte)。网关接收到上位机的数据后会识别数据包的 ID 和内容并通过 CAN 接口发送。当网关的 CAN 接口收到报文后,会提取报文的 ID 和数据,以 11 位 ID 加数据的数据包形式通过数据上传接口发送给上位机。为了方便缓存待收发的数据,每种接口都设置了接收数据缓冲区和发送数据缓冲区7。2 系统硬件设计2.1 总体方案多协议数据转换网关要能实现 CAN 传感器、RS485 传感器与 LoRa、以太网、RS232 串口之间的数据转换,则在硬件上要有相应的接口电路。设计硬件时采用 4 个拨码开关切换不同接口,网关上电时会根据拨码开关的状态开启不同接口,拨码开关不同状态对应的功能如表 1 所示。表 1 拨码开关状态对应功能表拨码开关开关状态对应功能开关 1ON/OFF只开启 RS485/CAN 接口开关 2 加开关 3ON+ON只开启 RS232 接口ON+OFF只开启 LoRa 模块OFF+ON只开启以太网接口开关 4ON/OFF切换 RS232 与 RS485 接口波特率为 9 600/115 200 网关主控芯片选用 STM32F103RCT6,该型号芯片具有丰富的片上外设,可以拓展多种协议的接口电路。实现 TCP/IP 协议栈有 2 种方案8:1)主控芯片+软件协议栈+以太网 PHY 收发器芯片;2)主控芯片+硬件协议栈芯片。第 1 种方案要实现复杂的硬件电路和软件 TCP/IP协议栈的移植,而第 2 种方案中的硬件协议栈芯片已内置 TCP/IP 协议栈,故本文选用硬件协议栈芯片实现以太网协议栈的功能。LoRa 模块选用 E22-400T22D,该模块空中速率最高为 62.5 kbit/s,理想情况的最远通信距离可达 5 km9,并通过串口与单片机通信。实际的工业环境中,RS485 或 CAN 总线上可能会存在高的共模电压和其他电磁干扰,可能导致连接网关的上位机工作异常10,因此 RS485 接口和 CAN 接口电路需要进行隔离设计,最终的硬件总体方案如图 2 所示。图 2 硬件总体方案2.2 电源电路设计通过 12 V/24 V 电源适配器为网关供电,电源电路采用 DCDC 降压芯片加 LDO 的组合方式,并将电源适配器的直流电压转换为 5 V、3.3 V 电压为网关中各芯片 供 电。DCDC 芯 片 选 用 TPS5430,该 芯 片 将12 V/24 V 的电源电压转换为 5 V 电压为后续模块供电。LDO 选用 AMS1117-3.3,将 5 V 电压转换为3.3 V 电压,为后续芯片供电。2.3 RS485 接口电路设计考虑到 RS485 接口需要进行隔离设计,故选用ADM2483 作为 RS485 收发器芯片,作为一种基于磁隔离技术的 RS485 电气隔离收发器,与传统光电型隔离收发器相比具有隔离性能优异、寿命长、可靠性好等特点11,能 够 满 足 在 工 业 环 境 下 的 使 用 需 求。ADM2483 的 VDD2、GND2 隔离端需要用隔离电源芯片供电,故选用 B0505S-1WR3 隔离电源模块,该模块为 PCB 上需要产生与输入电压隔离的电源场合而设计,并且具有 3 000 V 的隔离电压保护标准,能输出5 V 隔离电压。RS485 接口电路如图 3 所示,其中 ADM2483 的 RXD、TXD 分别与单片机的串口的 RX、TX 相连,ADM2483 的 RE#与 DE 短接到一起后与单片机相连,可单片机控制 ADM2483 的数据收发状态。图 3 RS485 接口电路17 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期2.4 CAN 接口电路设计主控芯片 STM32F103RCT6 已经内置了 CAN2.0A/2.0B 控制器,因此在设计 CAN 接口电路时仅需选择CAN 收发器即可。CAN 收发器芯片选择 ISO1050DUBR,作为一款隔离型收发器,该收发器能有效降低 CAN 总线对网关的电磁干扰,尤其适合复杂工况12,选用 B0505S-1WR3 为其隔离端提供 5 V 隔离电压。ISO1050 组成的 CAN 接口电路如图 4 所示,ISO1050的 RXD、TXD 分别与单片机 CAN_RX、CAN_TX 相连。图 4 CAN 接口电路2.5 以太网通信电路设计本文采用硬件协议栈芯片的形式来实现 TCP/IP协议栈功能,因此选择 W5000 以太网控制器作为硬件协议 栈 芯 片,通 过 以 太 网 连 接 器 HR911105A 加W5500 组成完整的以太网硬件协议栈。W5500 作为一款以太网控制器芯片,将 TCP/IP 协议栈集成在芯片内部,单片机只需要通过 SPI 通信接口就可与其通信和配置其相关的寄存器,可方便地进行以太网协议栈的个性化开发13,同时 HR911105A 将网络隔离变压器和 RJ45 网口集成在一起,简化了硬件电路设计。以太网接口电路如图 5 所示,C8 C11、R8 R9组成的Bob Smith 电路可降低接口 EMC 电磁辐射,磁珠将AVDD 和 VDD 分隔开。W5500 的 SCLK、MISO、MOSI、CS 引脚连接到单片机 SPI 引脚,INTN#是 W5500 的中断引脚。当 W5500 自身状态发生改变时,会在 INTN#引脚输出低电平以告知单片机。2.6 RS232 接口电路设计由于 RS232 信号的电平与单片机接口信号的电平不一致,故两者之间需要电平转换芯片来实现两者的信号电平转换,因此选用 SP3232EEN,它是一款满足 TIA/EIA-232 标准要求的 RS232 收发器芯片,RS232 接口电路如图 6 所示。图 5 以太网接口电路3 系统软件设计多协议数据转换网关的软件设计采用程序模块化设计,分别编写了 CAN、RS485、W5500、RS232 串口和 LoRa 的驱动程序,每个模块的程序中包含了各自的参数配置程序、数据收发程序、中断程序。定义了各自的中断标志位,相应接口在中断函数中接收到数据后,会将标志位置位,并转到主程序中处理数据,在主程序中完成对不同接口协议数据的转换。3.1 CAN 通信程序在编写 CAN 驱动程序时,首先会调用 STM32 库27 第 1 期谭诚刚等:面向工业传感器的多协议数据转换网关设计 图 6 RS232 接口电路函数对 CAN 外设初始化,在 CAN-InitStructure 初始化配置结构体中设置 CAN 通讯波特率为 125 kbit/s。CAN 外设的报文过滤器可以过滤指定 ID 的报文,则在 CAN-FilterInitStructure 结构体中配置过滤器为 16位非必须匹配的掩码模式,配置后 CAN 外设可接收所有 11 位 ID 的报文。编写 CAN 报文的收发程序时,定义了 Tx-Message、Rx-Message 两个结构体分别作为CAN 报文的数据接收和数据发送缓冲区。当网关接收到报文后,在 CAN 中断函数中确认该报文是否为11 位 ID 的数据帧,若是则将 CAN 报文存入到 Rx-Message 接收缓冲区中等待后续报文数据处理,若不是则丢弃该报文。3.2 RS485、RS232、LoRa 通信程序由于网关的 RS485、RS232、LoRa 模块与单片机的通信方式均为 USART,故三者的软件设计框架大致相同,分别是串口参数配置、数据收发与中断程序的编写。调用库函数配置好 USART 通信参数后,分别为 3个串口定义了 128 Byte 数据接收缓冲区和数据发送缓冲区。为了实现大数据吞吐量要求,将单片机 3 个串口中断触发方式配置为 IDLE 串口空闲中断,其优势在于每接收到 1 帧数据后才会触发 1 次接收中断,避免单片机频繁进入中断。3.3 以太网通信程序以太网通信程序主要分为 W5500 的通信配置和数据收发程序。定义 Gateway-IP、Sub-Mask、IP-Ad-dr、Port 这 4 个数组存放网关地址、子网掩码、IP 地址、socket 端口号的配置参数。W5500 拥有 8 个同时支持TCP 协议通信的 socket 端口,在传输数据时只选择socket0 作为与外界通信的端口。在建立 TCP 通讯前,需要对 W5500 进行相关通信参数的配置,配置流程如下:1)在主程序中调用 SetNet()函数将通信参数写入到 4 个数组中,写入的值分别为 192.168.1.1、255.255.255.0、192.168.1.199、5000;2)调用 W5500-Init()函数将设置好的通信参数写入到 W5500 寄存器中,并设置 W5500 工作在 TCP服务器模式;3)利用 DetectGateway()函数检查通信参数是否合理,使能 socket0 端口;4)调用 SocketInit()函数指定 socket0 作为 TCP端口,设置分片长度,使能 W5500。在完成参数配置后,W5500 将工作在 TCP 服务器模式,在 main 主程序的 while 循环中反复调用 Socket-Listen()函数用以等待远程主机的连接。W5500 的内部拥有 16 KB 的发送缓存区和接收缓存区寄存器,定义两个大小为 2 048 Byte 的数组作为数据接收和数据发送缓存区。调用 WriteDa-taBuff()函数将数据发送缓冲区内的数据中写入到 W5500 发送缓存区寄存器,写入成功后 W5500 会自动向外发送数据。当 W5500收到外界数据后,单片机则会检测到 W5500 的 INTN#引脚电平拉低,此时 W5500_RECEIVE 标志位置位,在主程序中调用 ReadDataBuff()函数读取 W5500 接收缓存区寄存器内的数据。4 网关数据传输实验为了验证网关的功能,设计了网关采集 RS485/CAN 传感器数据的实验,实验的统一流程均为:上位机通过网关下发指令给传感器,传感器收到指令后通过网关将数据上传到上位机,在上位机显示接收到的传感器数据。实验所用传感器分别为 RS485 称重传感器 SLP331D、CAN 汽车衡 PDX,两款传感器均为数字式称重传感器,可将采集到的质量数据直接传输到各自总线上。4.1 RS485 传感器数据采集实验4.1.1 RS485-RS232 传输实验实验前,将网关的一端连接到 RS485 称重传感器,另一端用 USB 转 RS232 数据线连接到计算机将网关和 RS485 称重传感器上电。实验步骤为:打开电脑的串口助手软件,设置波特率 9 600 bit/s;给 RS485 传感器加载 2 kg 砝码;串口助手每隔 50 ms 通过网关下发获取质量的指令;传感器收到指令后上传当前质量值。串口助手接收到的传感器质量数据如图 7 所示。4.1.2 RS485-LoRa 传输实验LoRa 数据传输实验中会用到两个多协议转换网关,其中一个网关将接收到的传感器数据通过 LoRa模块发送出去,另一个网关接收数据后将数据发送到37 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期图 7 RS485-RS232 双向数据传输实验结果上位机。网关 1 仅连接 RS485 称重传感器,网关 2 仅用 RS232 串口线连接到计算机,两个网关间无物理连接,彼此通过 LoRa 模块传输数据。该实验的实验步骤与 RS485-RS232 双向数据传输实验一致,串口助手每隔 50ms 向称重传感器发送获取质量的指令,实验结果与图 7 相同。4.1.3 RS485-以太网传输实验接线检查无误后给网关上电,并设置计算机 IP 为静态 IP,其 IP 地址设置为 192.168.1.190(使计算机与网关的 IP 地址处于同一网段即可)。在计算机端以太网测试工具中将协议类型设置为 TCP Client,服务器 IP 地址设置为 192.168.1.199,端口设置为 5000,点击建立与网关服务器的 TCP 连接。在传感器上加 2 kg砝码后,计算机每隔 50 ms 给 RS485 称重传感器发送指令,可看到传感器返回的质量结果如图 8 所示。图 8 RS485-以太网数据双向传输实验结果4.2 CAN 传感器数据采集实验4.2.1 CAN-RS232、LoRa 传输实验两组实验的实验内容与实验现象均相同,故只对CAN-RS232 的双向数据传输实验进行说明。将网关的一端连接到 CAN 传感器,另一端通过 USB 转 RS232数据线连接到计算机并给两者上电后,加载 10 kg 负载到传感器上,串口助手每隔 50 ms 下发指令获取质量,CAN 传感器接收到指令后通过网关将质量数据上传到计算机,数据发送和接收均为十六进制的形式,数据包中的字符与 HEX 对应关系如表 2 所示。表 2 部分 ASCII 码对照表字符空格.09ISgkHEX202E30394953676B 串口助手每次下发数据包的前 2 字节为 CAN 报文 ID,数据包的第 35 字节是质量指令。根据图 9 所示实验结果,并将电脑收到的数据与表 2 对比可看到接收到的数据帧中最后 6 字节是质量数据,显示的质量在 10.010.2 kg 之间,与加载在传感器上的 10 kg负载质量相符。图 9 CAN-RS232 数据双向传输实验结果4.2.2 CAN-以太网传输实验该实验中,电脑端的以太网测试工具通信参数配置与 RS485-以太网双向数据传输实验相同,接线连接好后给传感器和网关上电,并使电脑连接到网关服务器。在传感器上加 10 kg 负载,每隔 50 ms 计算机下发指令,从图 10 可看出网关接收到了质量数据,显示质量数据的范围在10.010.2 kg 之间,与加载在传感器上的 10 kg 负载质量相符。5 结束语本文针对 RS485、CAN 工业传感器与上位机间数据通信渠道单一的问题,研发了一种多协议数据转换网关,该网关能实现 RS485、CAN 传感器和 RS232 串口、以太网、LoRa 之间的双向数据传输。采用隔离型CAN 和 RS485 收发器、远距离传输的 LoRa 模块和以太网硬件协议栈芯片,降低软硬件设计难度,并使网关更适合在工业环境下工作。RS485、CAN 传感器通信测试的结果验证了网关在双向数据传输上的准确47 第 1 期谭诚刚等:面向工业传感器的多协议数据转换网关设计 图 10 CAN-以太网数据双向传输实验结果性和可靠性。该网关扩展了传感器与管理机的通信渠道,利用数据透传的软件层使网关能与不同种类的RS485、CAN 传感器建立通讯。参考文献:1 郑美芳,余波,魏海生,等.CAN 总线和以太网间的网关设计与实现J.中国管理信息化,2021,24(10):213-214.2 徐尚瑜,张燕,陈文君,等.LoRa 低功耗农业传感终端的设计与研发J.传感技术学报,2021,34(12):1690-1696.3 宋志勇.基于 CAN 总线的高精度称重采集系统设计J.仪表技术,2020(11):17-20.4 TRANCA D C,PALACEAN A V,MIHU A C,et al.ZigBee based wireless modbus aggregator for intelligent industrialfacilitiesC.2017 IEEE Conference on 25th Telecommuni-cation Forum(TELFOR).IEEE,2017:1-4.5 曾伟.分布式智能网络平台的研究与设计J.煤矿安全,2018,49(11):96-98.6 陈丹惠,顾潇宇,周雄,等.基于 CANopen 通信协议的外骨骼控制系统设计研究J.自动化仪表,2021,42(11):86-89.7 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