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在硬件方面充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用的需求，AD采集、DA輸出、DI輸入、DO輸出以及通訊等。

通訊部分主要包括串口通訊與以太網(wǎng)通訊。以太網(wǎng)的通訊采用W5500以太網(wǎng)控制器與MCU通過SPI總線通訊，在本項目中使用SPI2來實現(xiàn)通訊，以太網(wǎng)通訊部分的硬件設(shè)計如下：

串口通訊主要對象有兩個，遠紅外炭氫傳感器和顯示屏。遠紅外炭氫傳感器采用單總線串行通訊，TTL電平。兩路接口，通常一用一備，在需要時也可接兩臺傳感器，如一臺甲烷一臺丙烷。硬件接口的設(shè)計如下：

對于顯示屏起通訊接口采用RS485或者RS232。主要是應(yīng)為面向不同的應(yīng)用場合，在需要大顯示屏的時候選擇的是RS485接口，在普通小顯示屏是使用的是RS232接口。但這兩個屏不會同時使用所以采用一個USART口，實際使用的USART2通訊口，是使用RS232還RS485選擇焊接不同的器件。硬件部分的設(shè)計如下圖所示：

模擬量輸入輸出采用SPI接口與AD7705和AD5663來完成，模擬量輸入輸出個兩路。模擬量輸入主要用于采集氫氣組分數(shù)據(jù)和氧氣組分數(shù)據(jù)。氫氣傳感器采用熱式原理輸出0-5VDC的信號。氧氣傳感器有兩種：順磁傳感器和電化學(xué)傳感器，順磁傳感器輸出4-20mA電流信號，電化學(xué)傳感器輸出0-2.5VDC的信號，兩者不同時采用，所以采用同一路AI通道，根據(jù)不同的傳感器焊接不同的器件。硬件設(shè)計如下：

模擬量輸出也是兩路，通過SPI總線與MCU通訊。沒路均能輸出0-5VDC信號。這部分硬件設(shè)計比較簡單：

數(shù)字量輸入輸出主要用與小型真空泵和電磁閥得控制以及按鈕和狀態(tài)信息的輸入，硬件電路比較簡單：

還有其他部分的硬件設(shè)計，相對比較平常就不在此討論了。

軟件的開發(fā)環(huán)境采用IAR EWARM和STM32CubeMX，在STM32CubeMX完成基本配置并生成項目，再在IAR EWARM開發(fā)應(yīng)用并調(diào)試。基本的開發(fā)調(diào)試就不討論了，主要說一說數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出、串口通訊以及以太網(wǎng)通訊幾個方面的應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試。

為了讓軟件更好地適應(yīng)更換傳感器和應(yīng)用不同場合的功能增減要求，我們在設(shè)計軟件時使用了一個配置文件來配置更能的使用和增減。這個配置文件就是一個頭文件，定義了一些宏來控制條件編譯，節(jié)選部分配置文件如下：

/*多組分氣體分析儀應(yīng)用版本定義：

      ——0，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號VA1.0.1；

      ——1，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號VA1.0.1；

      ——2，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號VA1.0.1；

      ——3，用于便攜式氣體分析儀，版本號V1.0.1B；

      ——4，B版應(yīng)用板，版本號V1.0.1B；*/

#ifndef MFC_MasterBoard_VERSION

#define MFC_MasterBoard_VERSION (0)

#endif

/*定義擴展功能的使能，一次只能使能一項*/

//#define EXT_Ethernet_ENABLE     //擴展以太網(wǎng)通訊

//#define EXT_CAN_ENABLE          //擴展CAN總線通訊

/*定義片上Flash存取使能*/

#ifndef STORAGE_ENABLE

#define STORAGE_ENABLE (1)

#endif

/*全局變量定義*/

#include "globalvariable.h"

/*顯示屏控制*/

#include "lcdcommunication.h"

/*數(shù)字邏輯處理*/

#include "logicprocess.h"

/*模擬量輸入輸出處理*/

#include "addaprocess.h"

/*以太網(wǎng)通訊處理*/

#include "ethernetprocess.h"

/*紅外炭氫傳感器*/

#include "ndirdataprocess.h"

/*片上Flash參數(shù)存取操作*/

#if STORAGE_ENABLE > (1)

#include "storeprocess.h"

#endif

/*調(diào)試功能*/

#include "CommonConfig.h"

關(guān)于模擬量輸入輸出、串口通訊以及以太網(wǎng)通訊幾個方面軟件的設(shè)計及調(diào)試在前面的文章中都已經(jīng)較少的比較清楚了，只有數(shù)字量輸入輸出沒有涉及到，在總結(jié)這一篇文章中我們在軟件的設(shè)計和調(diào)試上主要說說數(shù)字量的處理。在多組分氣體成分分析儀中總共有5個DI輸入和5個DO輸出。這10個引腳的GPIO配置如下：

/*Configure GPIO pins : DI1_Pin DI2_Pin DI3_PinDI4_Pin

                           DI5_Pin */

GPIO_InitStruct.Pin = DI1_Pin|DI2_Pin|DI3_Pin|DI4_Pin

                          |DI5_Pin;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

/*Configure GPIO pins : DO1_Pin DO2_Pin DO3_PinDO4_Pin

                           DO5_Pin */

GPIO_InitStruct.Pin = DO1_Pin|DO2_Pin|DO3_Pin|DO4_Pin

                          |DO5_Pin;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

/*Configure GPIO pin Output Level */

HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, DO1_Pin|DO2_Pin|DO3_Pin|DO4_Pin

                          |DO5_Pin,GPIO_PIN_RESET);

對于DI、DO的操作我們采用定義操作函數(shù)來實現(xiàn)對單個通道和全部通道的操作。我們首先定義兩個枚舉類型分別定義如下：

//定義數(shù)字量輸出通道枚舉類型，規(guī)定通道的范圍

typedef enum {

DOChannel1,

DOChannel2,

DOChannel3,

DOChannel4,

DOChannel5,

DOChannelNum

} DigitalOutput;

//定義數(shù)字量輸入通道枚舉類型，規(guī)定通道的范圍

typedef enum {

DIChannel1,

DIChannel2,

DIChannel3,

DIChannel4,

DIChannel5,

DIChannelNum

} DigitalInput;

數(shù)字量輸入輸出的枚舉主要是為了方便操作和識別，通道數(shù)量出現(xiàn)變化時只需要增加枚舉兩種的通道定義即可。此處數(shù)字量輸入輸出均定義了5個通道。枚舉量的最后一個成員代表了通道的數(shù)量，在枚舉全部通道時能夠很好的避免超出范圍的錯誤。

同時還要定義如下的結(jié)構(gòu)體，用于定義需要操作GPIO目標(biāo)。

//定義用于針腳操作的目標(biāo)針腳類型

typedef struct{

GPIO_TypeDef* GPIOx;

  uint16_tGPIO_Pin;

}TargetPin;

有了上述的定義則可以實現(xiàn)前面設(shè)想的操作了，接下來我們還需要定義兩個數(shù)字量輸入輸出通道的TargetPin類型的數(shù)組，用于存放想要操作的目標(biāo)通道，和前面枚舉兩種定義的通道一致，此處也是5個通道。

//定義DI通道的全部目標(biāo)針腳數(shù)組

TargetPin diPin[]={{GPIOE,GPIO_Pin_2},{GPIOE,GPIO_Pin_3},{GPIOE,GPIO_Pin_4}

                 ,{GPIOE,GPIO_Pin_5},{GPIOE,GPIO_Pin_6}};

//定義DO通道的全部目標(biāo)針腳數(shù)組

TargetPindoPin[]={{GPIOD,GPIO_Pin_3},{GPIOD,GPIO_Pin_4},{GPIOD,GPIO_Pin_5}

                 ,{GPIOD,GPIO_Pin_6},{GPIOD,GPIO_Pin_7}};

有了以上2個數(shù)組就可以在避免在操作過程中大量使用條件分支語句（Switch或if語句），簡化編碼和避免在增加通道時號要修改函數(shù)的情況。現(xiàn)在如果通道數(shù)量出現(xiàn)變化則只需要修改枚舉量和數(shù)組的值就可。或者操作的管腳出現(xiàn)變化則只需要修改數(shù)組的值就可以了。而不需要去修改函數(shù)體，而且函數(shù)體的編碼也非常簡單。

對數(shù)字量輸出的操作如下，在操作全部通道時，以枚舉變量作為循環(huán)變量，以枚舉的最后定義的數(shù)量來控制，并以枚舉量的取值作為數(shù)組下標(biāo)，有效避免出現(xiàn)超出范圍的錯誤，同時在通道數(shù)量和通道對應(yīng)的具體針腳發(fā)生變化時，無需修改函數(shù)。

//操作全部繼電器DO通道

//輸入?yún)?shù)TargetPin *doPin為要操作的DO通道列表

//輸入?yún)?shù)BOOL *commands欲寫給DO通道的值列表

void OperationAllRelayChannel(TargetPin*doPin,BOOL *commands)

{

DigitalOutput DOChannel;

for(DOChannel=DOChannel1;DOChannel<DOChannelNum;DOChannel++)

  {

   OperationSingleRelayChannel(doPin[DOChannel],commands[DOChannel]);

  }

}

//操作單個繼電器DO通道

//輸入?yún)?shù)TargetPin doPin為要操作的DO通道

//輸入?yún)?shù)BOOL command欲寫給DO通道的值

void OperationSingleRelayChannel(TargetPindoPin,BOOL command)

{

   HAL_GPIO_WritePin(doPin.GPIOx,doPin.GPIO_Pin,command);

}

對數(shù)字量輸入的操作函數(shù)的編寫采用與數(shù)字量輸出相同的思路。對于枚舉之所以可以用作數(shù)組下標(biāo)，是因為枚舉沒被指定值時，總是從0開始向上累加，正好與數(shù)組下標(biāo)是一致的。這要做還有一個好處是，通道與具體的GPIO引腳是由TargetPin數(shù)組的賦值順序決定的，修改非常方便。

//獲取全部DI量狀態(tài)輸入值

//輸入?yún)?shù)TargetPin *diPin為需要讀取的DI通道列表

//輸入?yún)?shù)BOOL *result為讀取的通道值返回列表

void GetAllDIStatusInput(TargetPin *diPin,BOOL*result)

{

DigitalInput DIChannel;

for(DIChannel=DIChannel1;DIChannel<DIChannelNum;DIChannel++)

  {

   result[DIChannel]=GetSingleDIStatusInput(diPin[DIChannel]);

  }

}

//獲取單個DI量狀態(tài)輸入值

//輸入?yún)?shù)TargetPin diPin是需要讀取的DI通道

//返回值為讀取的通道值

BOOL GetSingleDIStatusInput(TargetPin diPin)

{

  uint8_treadValue;

  readValue= GPIO_ReadInputDataBit(diPin.GPIOx,diPin.GPIO_Pin);

  return(readValue>0)?True:False;

}

最后來一張調(diào)試數(shù)字量輸入輸出的截圖：

多組分氣體成分分析儀項目軟件其他部分的設(shè)計與調(diào)試也已經(jīng)過驗證，在此就不多說了。

多組分氣體分析儀的測試機已經(jīng)可以運行，大部分的功能也已經(jīng)完成，測試基本完成。來幾張結(jié)果圖片，首先來一張調(diào)試模擬量數(shù)據(jù)采集的圖片：

再來一張顯示屏顯示各組分的的畫面：

接下來再來一張顯示屏顯示參數(shù)設(shè)定和操作的界面：

再來一張顯示網(wǎng)絡(luò)通訊的界面：