摘  要： 基于Cortex-M3内核的ARM芯片STM32F107所构建的车桥追溯管理系统终端，采用以太网进行数据传输，嵌入μC/OS-II实时操作系统和LwIP协议栈，实现多任务的管理，优化数据的传输。实验表明，终端系统稳定，人机对话界面友好，数据能快速、大量、有效传输，具有很好的应用前景。
关键词： 车桥总成；STM32F107；以太网；μC/OS-II；LwIP协议栈

　车桥生产企业录入VIN编码时，经常发生人为失误，如工人在记录时的字迹模糊不清、录入员在录入时的操作过失、遗漏单据等现象，阻碍了整个车桥安装进程的进度，降低了劳动生产率，直接影响着企业的经济效益[1]。至此，实时录入工位车桥总成信息的终端具有应用的现实意义。由STM32F107构建的车桥追溯管理系统终端，通过以太网进行数据传输，同时嵌入μC/OS-II实时操作系统实现多任务管理，将工位总成信息传至PC机以进行统一管理。
1 总体方案
　终端采用基于Cortex-M3内核的ARM芯片STM32F107为处理器，构建STM32应用电路、以太网通信电路、人机接口电路、指示报警电路、电源电路，结构框图如图1所示。终端分为上桥终端与工位终端。工位终端安装在装配流水线的相关工序对应的工位，实现流水线工位有效信息的录入；上桥终端安装在装配流水线的上桥工位，实现总成桥类型、数量按当班总调度的要求实时调度与控制。

　　　　终端的数据传输方式如图2所示。PC机作为以太网

2 硬件设计
　终端硬件分为STM32应用单元、以太网通信单元、人机接口单元、指示报警单元等。
2.1 STM32应用单元
　STM32F107是一款性价比极高的微控制器，它集成了丰富的外围功能模块，可满足多种应用场合，适宜于实时控制[2]。STM32的系统时钟可来自3个不同的时钟源，本终端采用HSE时钟为高速外部时钟信号，通过OSC_IN接入一个最高为25 MHz占空比为50%的外部时钟信号提供系统所需的时钟基准。复位方式为系统外部复位，通过按下独立按键，向NRST引脚输入低电平，完成复位。STM32的内核集成了串行线/JTAG调试接口用于接调试器，便于程序的调试。
2.2 以太网通信单元
　以太网通信电路，如图3所示。通过STM32F107的MAC接口与以太网驱动芯片DP83848构成的的PHY（物理层）接口相连接，再与网络变压器、RJ45插槽相连接，从而实现网络通信。STM32F107以太网模块支持两种模式接口：独立介质接口（MII）和简化独立介质接口（RMII）[3]。设计选择独立介质接口（MII），它需要16根数据和控制信号的引脚，支持10 Mb/s、100 Mb/s数据传输。

　DP83848C是一款高性能的满足10M/100M单接口的PHY物理层元器件，它具有低电压损耗特性，同时提供几种智能休眠模式，这样可以减少电能的消耗，提高元器件的可靠性[3]。通过配置DP83848C的MII_MODE引脚为0，SNI_MODE引脚任意，选择为MII模式。AN_EN、AN_0、AN_1引脚上拉3.3 V，自动协商功能使能，且支持10BASE_T半/全双工和100BASE_TX半/全双工两种传输方式。PHY的物理地址由PHYAD[0：4]引脚确定，PHYAD[0]引脚内部有弱上来电阻，PHYAD[4：1]引脚有弱下拉电阻，所以PHY地址默认为00001（01h）。
2.3 其他单元
　人机接口单元包括PS2键盘电路与LCM屏电路，主要用于人机信息的交互。指示报警单元利用LED灯和蜂鸣器对终端的运行情况进行指示、报警，包括网络连接诊断指示、以太网通信指示、终端运行状况指示和硬件错误指示，当终端出现硬件错误与通信错误时，除了LED外，报警电路的蜂鸣器同时响起。电源单元采用美国国家半导体LM2576HVS-3.3芯片将直流+48 V转换为直流+3.3 V，为整个终端提供可靠、稳定的电能。
3 软件设计
　软件上嵌入μC/OS-II实时操作系统[4]，建立以太网通信、人机接口、指示报警、终端选择等任务，通过μC/OS-II任务调度，完成任务的切换与运行。嵌入LwIP协议栈，实现TCP/IP协议层的构建。
3.1 LwIP协议栈移植
　μC/OS-II是一个开放源码的实时操作系统，它只是一个实时的任务调度及通信内核，缺少对外围设备和接口的充分支持[5]。而LwIP TCP/IP在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十KB的RAM和约40 KB的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。它与系统其他部分的相对位置关系如图4所示。

　sys_arch.h中的内容是与OS相关的一些结构和函数，分为四个部份：
　（1）sys_sem_t数据结构及信号量函数
　struct sys_sem_t；sys_sem_new（）；
　sys_sem_free（）；sys_sem_signal（）；
　sys_arch_sem_wait（）；
　（2）sys_mbox_t消息函数
　sys_mbox_new（）；sys_mbox_free（）；
　sys_mbox_post（）；sys_arch_mbox_fetch（）；
　（3）系统超时函数
　struct sys_timeouts*
　sys_arch_timeouts（void）
　（4）创建新线程函数
　void sys_thread_new（void（*thread）（void*arg），void*arg）；
3.2 任务划分和资源分配
　μC/OS-II是专为嵌入式应用设计的公开源代码的抢占式实时操作系统，它把系统软件分割成多个任务，每个任务负责完成相应工作，系统功能由多个任务协作完成[6]。任务分配方案的好坏将直接影响软件编写效率和性能，系统任务分配如表1所示。在起始任务中建立了一系列的邮箱信号来协调各个任务的运行，资源分配如表2所示。

　终端μC/OS-II系统设置为每隔50 ms进行一次任务切换，以太网任务用于以太网数据的发送与接收；终端选择任务是通过功能按键中断触发来选择任务，进入终端选择界面之后，根据界面的提示，通过PS2键盘选择终端类型；人机接口任务主要完成人机信息的交互；指示报警任务则是最终端的运行状况进行检测、指示、报警。
　在μC/OS-II平台下，各个任务对资源的申请，以及任务间的通信通过操作系统的消息管理模块来进行，可保证任务与任务之间的耦合性最小，增加了系统的稳定系数。
3.3 以太网通信任务
　STM32F107的以太网模块支持通过以太网收发数据，符合IEEE 802.3-2002标准，通过外接的PHY接口，支持10 Mb/s、100 Mb/s秒的数据传输速率。
　（1）以太网任务初始化。针对此任务的变量、标志位以及LwIP协议栈初始化，其包括Heap型内存初始化，Pool型内存初始化，网络配置初始化，宏定义初始化等。
　（2）以太网数据发送与接收。上桥终端发送给工位终端的桥号先传给PC机，再由PC机转发给工位终端。如果由上桥终端直接发送给工位终端，则上桥终端既作服务器，又做客服端，这样增加了终端程序的任务量，至此，将更多的数据传输交给PC机，充分利用PC机的高效性。以太网的数据在以太网中断程序接收，通过μC/OS-II建立的以太网邮箱，将接收到的数据以邮件的形式“投递”到以太网任务进行处理。有以太网邮件的到来才会激活以太网任务，否则，以太网任务一直处于挂起状态。根据终端的类型将接收到的有效数据存储至STM32F107自带的Flash中，防止掉电意外丢失。同时对数据进行处理，通过以太网发送到相应的PC或者终端中。以太网通信任务流程图如图5所示。

　终端上电后，如果是第一次启动，尚未选择终端类型，需要按下功能键，程序会自动进入终端选择界面，通过PS2键盘选择相应的终端，工位终端的选择。
　利用“网络调试助手软件”模拟上位机软件，用来发送和接收各终端的信息。终端作为客户端，PC机作为服务器。在“网络调试助手软件”对话框中设置好IP号、端口号，等待各终端的连接，各终端成功连接之后便可以进行数据传输。上桥终端接收到VIN码后，将其显示在液晶屏上，通过PS2键盘的确认键，每按一次，就发送一组VIN码给工位终端。工位终端接收到VIN码后，进入录入数据界面，如图7所示。输入工序数，确认无误后，再依次输入分成号、工序号、操作者号，点击确认键，数据通过以太网上传给PC机。

　车桥追溯管理系统终端结合μC/OS-II和以太网技术技术实现了数据远程与实时传输。μC/OS-II实时操作系统的嵌入，大大提高了微处理器利用效率；多任务的建立，既加强了各外设的联系，又优化了以太网数据的传输。实验表明，此终端系统稳定，人机对话界面友好，以太网数据能快速、有效传输，具有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 王文虎，李建奇，曾进辉．基于CAN总线的车桥总成数据管理系统设计[J]．自动化与仪器仪表，2006（1）：12-14．
[2] 黄郑．扩展STM32系列续写32位微控制器优势[J]．电子设计应用，2008，1（7）：4-6．
[3] 宋鑫，郭勇，谢兴红．RMII模式以太网PHY芯片DP83848C的应用[J]．单片机与嵌入式系统应用，2010（8）：43-45．
[4] 邵贝贝．嵌入式实时操作系统UC/OS-II[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[5] 焦海波．TCP/IP协议栈LwIP的设计与实现[J].信息与控制，2000，29（2）：12-14．
[6] 何雅琴．基于UCOS_II的智能窗系统的设计[D]．上海：华东师范大学，2007．