基于HWD32F429的主從冗余數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳潤(rùn)星 劉杰 李龍杰 何鵬賡 李澤銀 石義金

關(guān)鍵詞：HWD32F429；數(shù)據(jù)記錄；Modbus協(xié)議；eMMC存儲(chǔ)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)嵌入式的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)常用STM32 系列作為主控MCU，以國(guó)產(chǎn)MCU設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)較少，針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款基于國(guó)產(chǎn)MCU的主從冗余數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雙通道Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，該系統(tǒng)高效穩(wěn)定，可在多種需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景進(jìn)行使用。基于HWD32F429的主從冗余數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，以國(guó)產(chǎn)HWD32F429替代STM32系列的芯片，可以使整個(gè)系統(tǒng)的全國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)98%。

1 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 HWD32F429芯片

HWD32F429 系列是基于 ARM? Cortex?-M4 32-bit RISC CPU，最高工作頻率 240MHz 的高性能MCU。HWD32F429 集成了豐富的外設(shè)接口，包括 SPI、I2C、UART、CAN、網(wǎng)口等，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)控制、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等。

HWD32F429 系列提供 144pin、176pin 的 LQFP 封裝，208pin 的 TFBGA 封裝，用于高性能變頻控制、數(shù)字電源、智能硬件、IoT 連接模塊等領(lǐng)域。此外，該芯片還具有錯(cuò)誤處理和診斷功能，可以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和定位，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)主控HWD32F429采用144pin的LQFP 封裝。

1.2 數(shù)據(jù)接收模塊

基于國(guó)產(chǎn)芯片HWD32F429數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)與外部接口模塊間有3路串行通信接口，其中2路接收來(lái)自外部系統(tǒng)A、B的待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并互為冗余[1]，另外1路串行通信作對(duì)外調(diào)試接口，用于接收上位機(jī)發(fā)送的調(diào)試命令，串行通道設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)接收均通過(guò)UART+JM3096T 收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，JM3096T是一款國(guó)產(chǎn)高可靠性隔離全雙工RS422收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的隔離及電平轉(zhuǎn)換。其中一路接收模塊原理圖如圖2所示。

1.3 eMMC 存儲(chǔ)模塊

高速eMMC 存儲(chǔ)芯片TEE12833TW0 具有高集成、高性能、低功耗以及高數(shù)據(jù)吞吐量等特點(diǎn)，其單片存儲(chǔ)容量可達(dá)128GB，本身內(nèi)部集成控制芯片可以自我管理壞塊以及錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，該國(guó)產(chǎn)eMMC存儲(chǔ)芯片采用標(biāo)準(zhǔn)接口可被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航天、航空等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊原理圖如圖3所示。

1.4 以太網(wǎng)通信模塊

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)有一路以太網(wǎng)通信接口作為上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)的接口。接口設(shè)置在前面板，方便操作員連接。以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

HWD32F429 自帶MAC 功能，并提供MII 接口。PHY芯片采用EM971AP型芯片。EM971AP為一款支持10/100 兆的以太網(wǎng)物理收發(fā)器電路，集成以太網(wǎng)PHY，支持10BASE-T、100BASE-TX，支持MII 接口，能夠替換LXT971A芯片。網(wǎng)絡(luò)變壓器采用LT1306-A，實(shí)現(xiàn)對(duì)外的10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)通信功能，以太網(wǎng)通信原理圖設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5所示。

2 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)嵌入式軟件主要4個(gè)功能任務(wù)：數(shù)據(jù)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、數(shù)據(jù)讀取任務(wù)、錯(cuò)誤處理任務(wù)。軟件體系架構(gòu)如圖6所示。這些任務(wù)模塊利用FreeRTOS的多任務(wù)并行處理技術(shù)，通過(guò)消息和信號(hào)量的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)彼此的同步協(xié)作。

在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)啟動(dòng)成功后，系統(tǒng)首先通過(guò)初始化模塊來(lái)確保硬件的正確啟動(dòng)。接著，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟功能調(diào)度任務(wù)，創(chuàng)建一個(gè)消息指針隊(duì)列，用于管理進(jìn)程的開(kāi)啟，并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)接收任務(wù)通過(guò)兩路 UART 接收來(lái)自外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，為了確保系統(tǒng)的可靠性，采用 Modbus 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)負(fù)責(zé)將UART 接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 eMMC 存儲(chǔ)芯片中。數(shù)據(jù)讀取任務(wù)則通過(guò)以太網(wǎng)口等待數(shù)據(jù)讀取查詢指令，一旦檢測(cè)到查詢指令，就讀取 eMMC 相應(yīng)數(shù)據(jù)。通常情況下，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取過(guò)程都在非工作狀態(tài)下進(jìn)行，因此當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取任務(wù)時(shí)，會(huì)關(guān)閉其他任務(wù)，以保證讀取操作的獨(dú)立性。為了提高開(kāi)發(fā)效率和可靠性，軟件移植了FATFS 和 LwIP，分別用于輔助完成文件管理和網(wǎng)絡(luò)處理[2-5]。

系統(tǒng)功能調(diào)度任務(wù)負(fù)責(zé)啟動(dòng)其他功能任務(wù)。在初次運(yùn)行時(shí)，它將開(kāi)啟數(shù)據(jù)接收任務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)接收任務(wù)

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)通過(guò)兩路UART接收從外部系統(tǒng)傳入的數(shù)據(jù)，兩路數(shù)據(jù)接收通道互為冗余，系統(tǒng)連接圖如圖7所示。

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用Modbus通信協(xié)議，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)作為從機(jī)，外部待存儲(chǔ)設(shè)備作為主機(jī)，配置設(shè)備地址0xe7，功能碼為16，對(duì)應(yīng)為寫(xiě)入多點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于Modbus 協(xié)議規(guī)定單幀數(shù)據(jù)大小不超過(guò)256Bytes，所以當(dāng)待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)超過(guò)256Bytes，需要被分為多幀Modbus數(shù)據(jù)，接收到多幀數(shù)據(jù)后再組幀形成待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀格式示意圖如圖8 所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)接收到串口中斷數(shù)據(jù)，則對(duì)接收數(shù)據(jù)按照Modbus協(xié)議進(jìn)行解幀和校驗(yàn)處理，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果返回響應(yīng)數(shù)據(jù)，用于通知主機(jī)Modbus數(shù)據(jù)幀是否接收成功。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖9所示。

考慮到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)接收時(shí)間可能具有隨機(jī)性，為確保系統(tǒng)高效運(yùn)行，我們建立了一個(gè)深度為 256 的 FIFO，用于暫存已接收到的數(shù)據(jù)，防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。只有在數(shù)據(jù)驗(yàn)證無(wú)誤時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)雙工。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，解決數(shù)據(jù)可靠高效地寫(xiě)入進(jìn)eMMC存儲(chǔ)芯片的問(wèn)題。FreeR?TOS的內(nèi)核未帶文件系統(tǒng)，為了簡(jiǎn)化編程流程以及提升開(kāi)發(fā)效率，在設(shè)計(jì)中加入高效、資源占用率低、專為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文件管理系統(tǒng)FATFS。

為了方便對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取時(shí)的查找，數(shù)據(jù)文件以每幀數(shù)據(jù)開(kāi)頭的時(shí)間戳配合其他信息命名。文件名參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示，其中NO用于區(qū)分一秒內(nèi)多幀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的次序數(shù)，通道號(hào)用于區(qū)分兩路存入數(shù)據(jù)的UART通道，確保每一幀數(shù)據(jù)都能被正確保存且可以區(qū)分。

2.4 數(shù)據(jù)讀取任務(wù)

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)另一個(gè)關(guān)鍵功能是確保存儲(chǔ)在eMMC中的數(shù)據(jù)能夠快速準(zhǔn)確地讀取出來(lái)。針對(duì)大容量存儲(chǔ)的情況下，快速查找并及時(shí)返回某個(gè)文件對(duì)操作員使用體驗(yàn)來(lái)講有重要的意義。本文的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)讀取的傳輸途徑。利用第三方LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。當(dāng)接收到來(lái)自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)讀取指令，首先檢查指令合法性，如果查詢指令合法，則向任務(wù)管理進(jìn)程發(fā)送網(wǎng)絡(luò)查詢數(shù)據(jù)接收成功消息。

2.5 錯(cuò)誤處理任務(wù)

從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，最理想的錯(cuò)誤處理策略是盡量規(guī)避錯(cuò)誤。當(dāng)無(wú)法避免或糾正錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的報(bào)警措施。此外，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行分類。本軟件依據(jù)對(duì)系統(tǒng)功能影響程度對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行分級(jí)處理，分類標(biāo)準(zhǔn)與分類結(jié)果如圖11 所示。

存儲(chǔ)芯片中應(yīng)建立一個(gè)專門用于記錄系統(tǒng)錯(cuò)誤的日志文件，以記錄發(fā)生的所有錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)生第 III 類低風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤時(shí)，黃色指示燈應(yīng)常亮；當(dāng)發(fā)生II 類中風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤時(shí)，橙色指示燈閃爍；當(dāng)發(fā)生第 I 類高風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤時(shí)，紅色指示燈應(yīng)始終閃爍，直到操作員排除故障且系統(tǒng)重新上電。發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤可通過(guò)調(diào)試串口實(shí)時(shí)輸出，錯(cuò)誤類型，方便操作員排除故障。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證基于HWD32F429數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的功能和性能，采用QT軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)測(cè)試軟件，用于模擬數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取以及校驗(yàn)功能。系統(tǒng)測(cè)試連接示意圖如圖12所示。

該測(cè)試軟件間隔50ms 發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為256 的Modbus協(xié)議幀，通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)讀取校驗(yàn)雙通道存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，測(cè)試軟件如圖13所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的主從冗余數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)主要采用ARM+eMMC 的架構(gòu)，選用國(guó)產(chǎn)芯片 HWD32F429 作為主控制器。該系統(tǒng)能夠滿足以 Modbus 為協(xié)議的各類設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄需求，在實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化替代方面具有一定的價(jià)值。