一种安检机应用的多路多源通信板

李 飞

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技术有限公司， 北京 100048）

0 引言

随着国家民航业大力发展， 机场安保系统供应厂家越来越多且越来越复杂化， 因此安检设备需要和不同合作厂商进行数据交互。在许多场合，由于设备处理数据的形式不同，通信接口各有差异[1]，由于设备差异或者特有通信模块的高成本，导致接口方式很难实现统一，为此本文设计了一种安检机应用的多路多源通信板。 此通信板以STM32 为主控制器，结合各种通信芯片和控制芯片实现了对多路可配置GPIO、多路RS232/RS422 和以太网的数据收发和逻辑控制， 满足了安检设备灵活对接多种接口的功能，液晶模块对安检设备的当前状态进行显示，方便现场纠错和调试，降低了企业成本。

1 系统总体设计

多路多源通信板主要由32 路可配置GPIO 输入、24路无源接点输出、4 路串行接口（RS232/RS422）、1 路以太网通信接口 （W5100）、1 块EEPROM 存储器芯片以及1块12864 液晶显示模块组成，通信板系统框图见图1。

图1 通信板系统框图

STM32 芯片作为多路多源通信板的核心控制器，主要控制协调各路串行信号和以太网信号的发送、接收、缓存处理以及当前状态输出和液晶显示、安检设备GPIO 信号的输入/输出状态变化，最终实现上位机或合作厂商对安检设备的状态采集和控制等功能， 通信板实际应用系统框图见图2。

图2 通信板实际应用系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 电源电路

根据各控制芯片的供电需求， 需要将输入电压24V 转换为5V 和3.3V，为了提高转换效率、增加电压转换的稳定性，24V 转5V 芯片选用明纬的SPUN02N-5 芯片，该芯片具有输入输出电压隔离达到3KVDC、内部集成短路/过载保护。5V 转3.3V电源电路芯片选用低压差线性稳压器LM1117[2]，结合LM1117芯片典型输出特性、 芯片结对环境发热系数等参数计算后选用芯片的封装为SOT-223，电源电路图见图3。

图3 电源电路图

2.2 STM32 主控电路

通信板要求芯片处理速度快、 兼容性好且价格低廉，所以本设计选用的是ST 公司生产的STM32F103ZET6 型号处理器， 此芯片搭载了性能优越的ARM Cortex-M3 内核，嵌入了512K 字节FLASH 和64K 字节SRAM 存储器，最高工作频率可达72MHz，GPIO 通用接口达到112 个，具有多个可复用的SPI、I2C、串口，可搭载多种外设等一系列优点[3]。本设计采用8M 无源晶振、启动区域为主闪存存储、调试下载用2 线制的SWD 方式，主控电路框图见图4。

图4 主控电路框图

2.3 GPIO 端口信号

在工业现场，信号通过无源接点交互具有抗干扰能力强、可靠性高，传输实时性好、 接线方式简单、安全可靠等优点。 此通信板也实现了无源接点的采集和输出的功能。

2.3.1 GPIO 输入信号

GPIO 输入信号根据实际使用情况分两种：

（1）采集安检机（简称内部信号）信号，由于此部分信号在机器内部有稳定性处理并且有确定电性， 根据被采集信号内部定义，信号状态为逻辑低电平有效，所以设计如图5 电路进行信号采集，通过单向TVS[4]确保电路信号稳定性，抑制瞬态干扰。为了提高对使用中通道的直观显示，在每个通道上添加LED 指示灯。 根据GPIO 端口采集的频率，设计合理的RC 数值。

图5 输入信号电路示意图1

（2）采集合作厂家（简称外部信号）信号，由于外部信号电平的不确定性， 需要将采集信号电平转换为与主控芯片MCU 匹配的电平信号。由于工业现场存在各种干扰信号，所以必须阻止干扰信号进入通信板，提高系统的抗干扰能力。 光电耦合器（筒称光耦）是常用的转换隔离器件，在光耦工作过程中，光在其中发挥重要的载体作用，不受电磁等干扰，能够保证进出信号的稳定性，可以实现电气隔离[5]。 依据设备使用实际环境，本设计采用TLP281光电耦合器以保证系统的可靠和稳定。 光耦隔离的输入和输出部分切记分别独立供电，以免失去隔离意义。输入信号电路示意图见图6。

图6 输入信号电路示意图2

根据实际情况，外部输入信号大致分为两类：外部供电信号和无源接点信号。 外部输入信号接线见表1。

表1 外部输入信号接线

针对输入信号的接线做如下简单说明： 定义外部对接电缆为2 芯线，其中一根为A，另一根为B。

2.3.2 GPIO 输出信号

本设计采用TI 公司的ULN2803A 达林顿晶体管阵列进行继电器驱动[6]，ULN2803A 的设计与标准TTL 系列兼容，并且耐压高，电流大。 继电器采用欧姆龙G6DN 系列，G6DN 具有高达5A 的高开关容量， 通过采用纵横双触头设计具有更高的接触可靠性， 同时符合加强绝缘的应用标准EN61010-1 和EN61010-2-201。 单路输出电路示意图见图7。

图7 单路输出电路示意图

2.4 RS232/RS422 串行通信

该电路RS232/RS422 信号中采用SIPEX 公司生产的SP3232E[7]双路收发器和SP3490E 全双工收发器进行交互电平信号转换。 本次设计采用MCU 的一个串口同时连接RS232 和RS422 的方式，这样既节省串口，又提高了对外接口的多样性。 SP3232E 芯片优点为在人体放电模式和IEC1000-4-2 空气放电试验模式下ESD 容差为±15kV。SP3490E 芯片为低功耗全双工收发器， 符合RS422 串行协议规格，在有负载情况下最低10Mbps 通信速率。 为了提高通信的稳定性和抗干扰性， 在串行信号输入和接收端设计正确的TVS 管， 经测试满足设计规则并且设备的可靠性显著提高。 单路串行通信电路示意图，见图8。

图8 单路串行通信电路示意图

2.5 液晶显示部分

本设计显示部分采用液晶显示模块LCD12864[8]，经过合理性评估采用南京罗姆公司的WYM12864K14 型号，通信方式采用并行通信， 显示方式为蓝底白字方式且带背光，显示示意图见图9。 本设计采用液晶模块显示当前设备的实时状态，相比于以往的观察输入输出点位方式，此种方式更加直观明了， 方便现场调试人员去对接和分析问题。

图9 显示示意图

2.6 以太网

以太网以其开放性、可靠性、价格低、速度高、传输距离远、多种传输介质可选、连接方式灵活多变、易于组网应用等优势得到广泛应用[9]，工业现场越来越多的现场采集设备需要扩展网络功能以实现远程控制和数据传输。

本设计采用WIZnet 公司的W5100 芯片，全硬件TCP/IP 协议栈是它的一项专利产品， 它简化了传统的TCP/IP协议栈，节约了芯片内部资源等，同时内部还集成了MAC和PHY，减少了工程师开发周期、降低开发成本[10]。

W5100 与主机进行通信支持直接并行总线、 间接并行总线以及高速SPI 接口3 种方式， 本设计W5100 采用直接并行总线方式，以太网驱动电路框图见图10，设计中采用13F-60FGYDPNW2 电磁隔离型RJ45 接口实现电气隔离，W5100 电路示意图见图11。

图10 以太网驱动电路框图

图11 W5100 电路示意图

2.7 存储EEPROM

本设计中EEPROM 芯片采用ATMEL 公司生产的AT24C02 型号芯片，此芯片和MCU 通信采用IIC 模式，IIC（Inter-Integrated Circuit）是现今主流的串行通讯协议的一种，在IIC 传输中，由数据线SDA 和时钟SCL 构成的串行总线，发送和接收数据[11]。 这种传输方式具有交互信号线少，设计灵活等特点，电路示意图见图12。 每个通信板IP 默认写入EEPROM，也可针对实际情况进行随时修改，通信板IP 显示示意图见图13。

图12 IIC 电路示意图

图13 通信板IP 显示示意图

3 软件程序编写

由于涉及公司项目，软件部分针对不同的使用模式用A/B/C 代替， 进行程序编写，将当前设备状态直观的显示在液晶面板上。 本设计软件开发环境为Keil uVison5，采用C 语言编写，秉承模块化设计，提高程序的简便性和可移植性。初始化部分包括：延迟函数、GPIO 口、映射、USART、LCD12864、IIC、中断、定时器等。 网口部分采用TCP/IP 协议，通信板作为服务器模式端SERVER， 远程控制端作为客户端CLIENT进行交互通信。 系统软件简略流程示意图见图14。

图14 系统软件简略流程示意图

4 系统测试与分析

为了测试在不同模式下多源多通道板数据传输的正确性和稳定性，搭建实际环境进行测试。 实验结果表明通信板长时间持续工作，输入输出均工作正常，串口和网口均可按照内部逻辑正常工作。所以表明通信板稳定可靠，此设计满足应用要求。通信板实物照片见图15，网口数据可以通过串口进行实时监测，网口通信示意图见图16。

图15 通信板实物照片

图16 网口通信监听示意图

5 结论

本文设计的以STM32 为核心的多路多源通信板，拥有较强的数据处理能力，同时实现了多串口通信，可配置的GPIO 信号采集和处理， 具有良好的可移植性等优点。此接口板集成度高、稳定性好、接线方式简单、相对低成本，可以适用于复杂的工业现场，所以此多功能接口板有很高的使用价值，是一款高性价比很高的通信板。