基于STM32芯片的分布式電機測試系統(tǒng)

齊 盛

（浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，杭州 310053）

1 引言

電機生產(chǎn)廠家需要在產(chǎn)品組裝完成后對電機進行嚴格的出廠性能測試。國內(nèi)電機生產(chǎn)企業(yè)一般從國外引進電機性能測試裝置[1]。這些裝置可靠性高、穩(wěn)定性好、性能測試準確，但存在著操作不夠簡潔直觀、價格昂貴和維修困難等問題。而國產(chǎn)高精度電機性能測試系統(tǒng)一般用于電機研究所以及鑒定機構(gòu)，其可靠性、穩(wěn)定性難以在復雜的電機生產(chǎn)線上滿足要求。本文針對管狀電機出廠性能測試的特點，選擇高性能處理器STM32，設(shè)計開發(fā)了管狀電機性能自動測試設(shè)備。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計概述

本系統(tǒng)是由多個相同功能的測試子系統(tǒng)，通過CAN總線在一個測試車間內(nèi)構(gòu)成的一個測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個測試子系統(tǒng)是一個單獨的測試臺，可獨立完成電機的測試任務(wù)。每個測試子系統(tǒng)對電機測試完成的數(shù)據(jù)都上傳至測試網(wǎng)絡(luò)中的主控機。主控機是一臺計算機，負責車間內(nèi)所有電機測試數(shù)據(jù)的存儲、測試員工作量的記載以及測試數(shù)據(jù)報表的生成、打印等功能。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)電機生產(chǎn)廠家的技術(shù)需求以及調(diào)查總結(jié)，每個單獨的測試子系統(tǒng)的具體功能重點包括以下幾方面[2]：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）針對不同型號的電機，測試的標準參數(shù)進行設(shè)定后能夠保存下來，方便用戶以后測試使用。

（2）子系統(tǒng)所能測試的8個項目分別包括電機的冷態(tài)電阻及溫升、運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、泄漏電流、剎車轉(zhuǎn)角和限位精度，用戶可根據(jù)需要具體制定測試項目。

（3）子系統(tǒng)根據(jù)用戶需要，將測試結(jié)果通過LCD和系統(tǒng)指示燈顯示出來。同時也將測試電機的具體測試參數(shù)以及測試人員、電機型號等信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)上傳到測試網(wǎng)絡(luò)中的主控機，以備生產(chǎn)廠家日后查詢。測試子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

本測試網(wǎng)絡(luò)中子測試系統(tǒng)的硬件電路主要分為三大部分。系統(tǒng)主控板：負責整個系統(tǒng)的通信運轉(zhuǎn)、液晶顯示以及保證跟上位機進行CAN通信；繼電器控制及電機參數(shù)測量板：負責根據(jù)系統(tǒng)主控板的命令，對控制電機的繼電器進行驅(qū)動，讓電機作出相應(yīng)的動作，以配合系統(tǒng)的測試需要，并且此模塊還包括對電機運轉(zhuǎn)時的電流電壓溫升的監(jiān)測測量模塊；按鍵及指示燈控制板：負責系統(tǒng)的人工輸入以及將測試結(jié)果通過LED系統(tǒng)指示燈顯示出來的功能。

3.1 電機電阻的測試電路

本測試系統(tǒng)中電機電阻的測試方法是伏安法，系統(tǒng)電路中設(shè)計了一個10mA的恒流源，采用MEGA16單片機自帶的10位A/D進行電壓轉(zhuǎn)化[3]。由于電機是感性負載，電動機線圈在斷開電源的瞬間會產(chǎn)生很強的反向感生電壓[4]。所以在測試電阻的時候一定要加保護電路，本系統(tǒng)保護電路中的熱敏電阻PTC1和PTC2在消耗瞬間的感生電壓方面取得很好的效果，系統(tǒng)中恒流源電路及系統(tǒng)保護電路如圖3所示。

圖3 電機電阻測試中恒流源以及保護電路

3.2 STM32處理器及主要接口電路

STM32F103VC是一款以Cortex-M3為內(nèi)核的ARM微控制器，集32位RISC處理器、低功耗、高速DMA通道、CAN、靈活的靜態(tài)存儲器控制器（FSMC它能夠與同步或異步的存儲器接口）以及SDIO接口等豐富片上外設(shè)于一體，它的時鐘頻率可達72MHz[5]。設(shè)計中利用芯片的外設(shè)接口FSMC連接液晶，經(jīng)過實際測試，采用FSMC方式較普通的IO驅(qū)動液晶快3倍左右。在性能方面，該微控制器能夠提供強大的計算和控制力，它具備32位硬件除法和單周期乘法，實現(xiàn)了Tail-Chaining中斷技術(shù)，將中斷之間的延遲降6個CPU周期，在實際應(yīng)用中可減少70%的中斷，這樣可以大大加快系統(tǒng)的反應(yīng)時間，與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45%[6]。

3.2.1 系統(tǒng)的CAN模塊設(shè)計

CAN通信電路由電源、微控制芯片STM32、STM32上的集成CAN控制器、CAN總線驅(qū)動器82C250、光電耦合器6N137組成。CAN數(shù)據(jù)通過82C250傳輸?shù)紺AN控制器上，STM32處理后再傳送出去。CAN通信結(jié)構(gòu)框圖及其硬件電路設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 CAN 通信結(jié)構(gòu)框圖

3.2.2 SD卡接口電路

由于SD卡具有存儲容量大、價格低、訪問速度快等優(yōu)點，現(xiàn)在正成為儀器儀表的存儲主流，SD卡的接口分SPI模式和SDIO模式，SDIO模式具有四根數(shù)據(jù)線，時鐘速度最大可達50MHz，顯然SDIO模式下數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI模式快得多[7]。STM32F103VC系統(tǒng)芯片具備SPI及SDIO接口，本系統(tǒng)中選用了SDIO接口模式，接口電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的存儲接口電路

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

4.1 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送程序

本測試系統(tǒng)中用到功能模塊化的設(shè)計方法，系統(tǒng)中主要涉及到兩個功能模式，第一個是手動模式，第二個是自動模式。系統(tǒng)通過CanShu_flag來判斷是否讀取存儲的標準值。

圖6為系統(tǒng)的自動測試模式程序流程圖。

圖6 自動測試模式程序流程圖

4.2 上位機界面的軟件程序

經(jīng)過處理后的測試結(jié)果通過CAN網(wǎng)絡(luò)上傳到主控機數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過主控機的上位機界面查看工位的測試信息以及車間的測試報表等信息。上位機界面如圖7所示。

圖7 上位機界面圖

上位機管理軟件的開發(fā)是使用Visual C++6.0完成的。VC++與Windows操作系統(tǒng)密切結(jié)合，有一套功能強大的可視化類庫（MFC），采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒╗8]。上位機主要分為以下幾個部分：

（1）CAN接口卡的接口程序，完成數(shù)據(jù)的正常傳輸；

（2）測試結(jié)果在本地數(shù)據(jù)庫的存儲及數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)根據(jù)需要導入到EXCEL中；

（3）車間測試數(shù)據(jù)報表的生成及打印；

（4）用戶可以根據(jù)需要，查看各個工位的實際測試情況。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

系統(tǒng)測試完成后將測試結(jié)果在液晶上顯示出來，TFT-LCD只顯示測試結(jié)果。如果測試電機合格的話，在合格的臺數(shù)加1，蜂鳴器會長響一聲；如果不合格的話可以在不合格的臺數(shù)加1，蜂鳴器會短響一聲。測試結(jié)果的LCD實物顯示如圖8所示。

圖8 測試完成界面

從子系統(tǒng)測試完成界面看到測試電流電壓參數(shù)的精度分別為0.01A、0.1V，電機電阻的精度為0.1Ω，行程、剎車距離精度及限位誤差精度為0.1°，在系統(tǒng)中測量電流電壓的傳感器CS5460為24位的AD，電機電阻測試電壓用到10位AD以及旋轉(zhuǎn)編碼器最小分辨率為0.09°，但結(jié)合電機出廠檢驗參數(shù)并不需要很高精度的實際情況以及系統(tǒng)保證處理數(shù)據(jù)的簡單性要求，液晶顯示精度明顯低于實際測試精度。所以系統(tǒng)的測試精度誤差主要來源于軟件過程中的數(shù)據(jù)處理。

子系統(tǒng)測試完成后，會自動將測試結(jié)果更新到主控機的數(shù)據(jù)庫，用戶在主控機中查看測試報表，報表信息如圖9所示。

圖9 測試1車間數(shù)據(jù)報表

6 結(jié)論

本文所設(shè)計的電機自動測試系統(tǒng)充分利用STM32F103VC芯片豐富的外設(shè)以及高效的數(shù)據(jù)處理能力。經(jīng)車間實際安裝調(diào)試后，所有控制功能均能正常實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的測試儀表相比具有性能穩(wěn)定、反映靈敏、精度高、操作簡單等特點。實踐證明，本方案設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、易于擴展，不僅保證了電機的測試精度，并且提高了測試人員的工作效率，為電機的生產(chǎn)提供了優(yōu)良的質(zhì)量檢驗平臺。隨著類似測試設(shè)備市場需求的不斷提高，相關(guān)的智能化自動測試系統(tǒng)將具有廣闊的市場前景。

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