基于STM32的鎖槍機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 偉，陳曉東，張延杰

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 凱邁（洛陽(yáng)）電子有限公司，洛陽(yáng) 471003）

槍支是公安民警執(zhí)行警務(wù)和對(duì)敵斗爭(zhēng)的重要武器。警務(wù)槍支的保管和使用歷來(lái)是公安機(jī)關(guān)對(duì)敵斗爭(zhēng)的重要環(huán)節(jié)，如果保管或使用不當(dāng)，極易造成負(fù)面影響或嚴(yán)重后果[1]。傳統(tǒng)的槍柜沒(méi)有槍支在位檢測(cè)裝置，無(wú)法自動(dòng)記錄槍支的領(lǐng)取和歸還時(shí)間，槍支管理的信息化建設(shè)滯后，槍支集中保管而彼此沒(méi)有鎖槍機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，若管理疏漏易出現(xiàn)槍支誤取誤拿的情況。2013年公安部頒布的公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能槍柜提出了具體要求，在出現(xiàn)非正常領(lǐng)取槍支和槍支未按時(shí)歸還的情況要及時(shí)報(bào)警，對(duì)于槍支彈藥存取信息要有記錄并且不能人工修改或刪除[2]。然而，傳統(tǒng)槍柜人工管理方式落后，槍支配發(fā)、存放、使用等相關(guān)信息不能及時(shí)生成，更不能實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程及時(shí)共享。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了STM32F103ZET6微控處理器為核心的鎖槍機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，構(gòu)造了一個(gè)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟、硬件控制系統(tǒng)[3]。實(shí)時(shí)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)槍支的在位情況、記錄槍支的存取狀況，控制鎖槍機(jī)構(gòu)來(lái)有效管控槍支，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)槍柜系統(tǒng)的諸多不足。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是采集各路槍支存放狀態(tài)、記錄槍支在位變化和控制某路或多路鎖槍機(jī)構(gòu)開啟。每個(gè)控制系統(tǒng)可以控制N（N＜25）路鎖槍機(jī)構(gòu)。每增加N把槍需要管控，只要增加一個(gè)控制系統(tǒng)并設(shè)置好地址，掛接到485總線上，即可實(shí)現(xiàn)槍支在位的監(jiān)控和鎖槍機(jī)構(gòu)開啟的有效控制。

1.1 微控處理器及外圍電路

如圖1所示，本系統(tǒng)由STM32F103VET6微控處理器和外圍電路構(gòu)成。微處理器STM32F103VET6是一款32位Coretex-M3內(nèi)核處理器，其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，包括512 KB字節(jié)的閃存、64 KB字節(jié)的SRAM，具有豐富的增強(qiáng)型GPIO端口[4-5]。

圖1 鎖槍機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的總體框架圖Fig.1 Structure diagram of the gun lock control system

STM32微控制器基于ARM體系結(jié)構(gòu)，在Keil MDK環(huán)境下主要依托于固件庫(kù)函數(shù)開發(fā)[6]。與單片機(jī)不同，編程時(shí)只需調(diào)用STM32庫(kù)函數(shù)即可驅(qū)動(dòng)相關(guān)硬件資源，這使得開發(fā)不再直接面對(duì)底層的寄存器進(jìn)行操作，無(wú)需深入掌握細(xì)節(jié)，用戶也可以輕松應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)，程序編寫簡(jiǎn)潔而高效。

外圍電路包括：JTAG調(diào)試下載單元、終端地址設(shè)置單元、電源轉(zhuǎn)換單元、終端復(fù)位單元、485總線通信單元和N路（N＜25）鎖槍機(jī)構(gòu)采集和控制單元。該系統(tǒng)需要外部+7 V直流電源供電，+7 V經(jīng)過(guò)AS1117R-3.3芯片轉(zhuǎn)化為+3.3 V給系統(tǒng)中的STM32芯片和485總線芯片供電。JTAG接口用于燒寫程序和在線調(diào)試，它連接著STM32芯片的JTCK、JTMS、JTDI、JTDO、JRST 和/RST 管腳。 終端地址設(shè)置單元由撥碼開關(guān)構(gòu)成，它規(guī)定了該系統(tǒng)的RS-485總線地址。終端復(fù)位單元用于給系統(tǒng)復(fù)位。

1.2 控制系統(tǒng)對(duì)外通信的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)作為獨(dú)立模塊對(duì)外部控制系統(tǒng)提供RS-485總線接口進(jìn)行通信。RS-485通信總線的外部控制系統(tǒng)作為主站，掛接的多個(gè)控制系統(tǒng)作為從站，每個(gè)從站有各自的協(xié)議地址。當(dāng)外部控制系統(tǒng)發(fā)送命令到總線上時(shí)，各從站都可接收到該命令，但只有地址匹配的從站返回響應(yīng)包。鎖槍機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)收到的命令分為2類：一類是獲取各路槍支在位情況，另一類是控制某路或多路鎖槍機(jī)構(gòu)開啟。

2 鎖槍機(jī)構(gòu)采集和控制單元

如圖2所示，鎖槍機(jī)構(gòu)采集和控制單元與一路鎖槍機(jī)構(gòu)的接口為5XS1，每路鎖槍機(jī)構(gòu)需要3個(gè)I/O資源，1個(gè)輸出I/O用于控制鎖槍機(jī)構(gòu)內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，2個(gè)輸入I/O用于采集傳感器信號(hào)。

圖2 鎖槍機(jī)構(gòu)采集和控制單元原理圖Fig.2 Schematic diagram of sample and control unit for gun lock

2.1 鎖槍機(jī)構(gòu)采集電路實(shí)現(xiàn)

一路鎖槍機(jī)構(gòu)的鎖開信號(hào)接5XS1接口的2腳，該路鎖槍機(jī)構(gòu)的鎖開到位信號(hào)接5XS1接口的3腳，STM32的I/O輸入管腳CG1_1接一路鎖槍機(jī)構(gòu)的鎖開傳感器信號(hào)且該管腳通過(guò)上拉電阻5R60接+3.3 V。STM32的I/O輸入管腳CG1_2接該路鎖槍機(jī)構(gòu)的鎖開到位傳感器信號(hào)且該管腳通過(guò)上拉電阻5R61接+3.3 V。管腳CG1_1平時(shí)為高電平，當(dāng)鎖開信號(hào)有效時(shí)，STM32檢測(cè)到該管腳為低電平。管腳CG1_2平時(shí)為高電平，當(dāng)鎖開到位信號(hào)有效時(shí)，STM32檢測(cè)到該管腳為低電平。

2.2 鎖槍機(jī)構(gòu)控制電路實(shí)現(xiàn)

SQ1連接鎖槍機(jī)構(gòu)內(nèi)部電機(jī)供電的正端。當(dāng)STM32將連接CJ1的I/O輸出管腳置為高電平時(shí)，三極管5Q1導(dǎo)通，繼電器5K1線圈形成回路，發(fā)光二極管5VL4發(fā)光，繼電器5K1的公共端3和5K1的6端連通，SQ1輸出7 V，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)STM32將連接CJ1的I/O輸出管腳置低電平，三極管5Q1截止，發(fā)光二極管5VL4熄滅，繼電器5K1的公共端3和5K1的5端連通，SQ1輸出0 V，電機(jī)停止。

3 鎖槍機(jī)構(gòu)開啟的控制策略

鎖槍機(jī)構(gòu)內(nèi)部由開到位傳感器、鎖開傳感器、直流電機(jī)、凸輪、撥片和彈簧等器件構(gòu)成。凸輪固定位于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸前端，當(dāng)電機(jī)加電轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪旋轉(zhuǎn)到撥片位置時(shí)會(huì)推動(dòng)撥片將鎖打開，此時(shí)鎖槍機(jī)構(gòu)的鎖開信號(hào)有效。正常情況當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)到開到位傳感器時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣到開到位信號(hào)有效，一個(gè)開鎖過(guò)程結(jié)束。開鎖過(guò)程狀態(tài)和圖如圖3所示。開鎖后凸輪停止的位置有個(gè)限定范圍，否則會(huì)影響到鎖槍機(jī)構(gòu)的閉合。在控制中，通過(guò)檢測(cè)鎖開到位信號(hào)就可確定凸輪是否停在限定范圍內(nèi)。

圖3 開鎖過(guò)程的狀態(tài)機(jī)圖Fig.3 State machine diagram of opening gun lock process

3.1 鎖槍機(jī)構(gòu)特殊性

系統(tǒng)控制的鎖槍機(jī)構(gòu)具有特殊性：因鎖開到位信號(hào)和與直流電機(jī)電源正輸入信號(hào)物理上連接，即有關(guān)聯(lián)性。若電機(jī)一直加電轉(zhuǎn)動(dòng)，即使凸輪按壓到鎖開到位傳感器，依然獲取不到低電平信號(hào)。只有當(dāng)電機(jī)掉電且凸輪按壓到開到位傳感器這兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)才能獲得低電平信號(hào)。所以，為了捕捉到有效的鎖開到位信號(hào)，電機(jī)要處于 “轉(zhuǎn)動(dòng)-停止”交替狀態(tài)。鎖槍機(jī)構(gòu)這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：采樣到鎖開到位信號(hào)有效時(shí)，電機(jī)已停止加電，凸輪因慣性停止到撥片位置造成鎖槍機(jī)構(gòu)無(wú)法鎖閉的情況不易產(chǎn)生。其缺點(diǎn)是：由于雙重條件才會(huì)產(chǎn)生有效信號(hào)，若信號(hào)采樣頻率不夠快，電機(jī)“轉(zhuǎn)動(dòng)-停止”交替的時(shí)間間隔設(shè)置不合適，就無(wú)法在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈內(nèi)采集鎖開到位信號(hào)有效，導(dǎo)致鎖開啟后凸輪調(diào)整時(shí)間增加。在每路鎖槍機(jī)構(gòu)開啟過(guò)程中，凸輪將撥片推開所需的瞬時(shí)電流最高為1 A。因此，當(dāng)需開啟多路鎖槍機(jī)構(gòu)時(shí)，考慮到硬件電路瞬時(shí)功耗較大，要控制各路間隔0.5 s依次開啟而非同時(shí)開啟。

鎖槍機(jī)構(gòu)閉合時(shí)槍支的扳機(jī)護(hù)環(huán)被鎖住，領(lǐng)取槍支時(shí)系統(tǒng)控制鎖槍機(jī)構(gòu)自動(dòng)打開，槍支可以取出，但歸還槍支時(shí)需要人工手動(dòng)閉合鎖槍機(jī)構(gòu)。

3.2 鎖槍機(jī)構(gòu)開啟過(guò)程

根據(jù)鎖槍機(jī)構(gòu)的特性，開鎖過(guò)程分為初始態(tài)、開啟態(tài)、調(diào)整態(tài)和校驗(yàn)態(tài)4個(gè)狀態(tài)。

初始態(tài)鎖槍機(jī)構(gòu)閉合，其內(nèi)部電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。

開啟態(tài)電機(jī)加電轉(zhuǎn)軸和凸輪處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，若限定時(shí)間檢測(cè)到鎖開信號(hào)有效則進(jìn)入調(diào)整態(tài)，否則結(jié)束開鎖過(guò)程跳轉(zhuǎn)到初始態(tài)。

調(diào)整態(tài)此態(tài)鎖槍機(jī)構(gòu)已經(jīng)開啟，但其內(nèi)部凸輪沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)到限定范圍，故電機(jī)處于“轉(zhuǎn)動(dòng)-停止”交替的狀態(tài)來(lái)調(diào)整凸輪位置。若在限定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)鎖開到位信號(hào)有效則進(jìn)入校驗(yàn)態(tài)，否則結(jié)束開鎖過(guò)程跳轉(zhuǎn)到初始態(tài)。

校驗(yàn)態(tài)在校驗(yàn)態(tài)中電機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入該狀態(tài)0.5 s后檢測(cè)鎖開到位信號(hào)，若有效則開鎖過(guò)程結(jié)束進(jìn)入初始態(tài)，否則跳轉(zhuǎn)到開啟態(tài)中。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)一方面輪詢各路鎖槍機(jī)構(gòu)獲取槍位狀態(tài)；另一方面響應(yīng)收到的獲取槍位狀態(tài)和控制鎖槍機(jī)構(gòu)開啟命令。具體的流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of the control system

系統(tǒng)上電后首先初始化了STM32芯片定時(shí)器、UART串口、GPIO、RTC、FLASH等模塊，然后進(jìn)入主流程[7-9]。在主流程超級(jí)循環(huán)中響應(yīng)外部控制系統(tǒng)發(fā)送的命令并記錄槍位變化事件到STM32的片內(nèi)FLASH中。在系統(tǒng)20 ms定時(shí)器中斷中實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前各路槍位的狀態(tài)，并比對(duì)每路槍位狀態(tài)是否變化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32的鎖槍機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鎖槍機(jī)構(gòu)的自動(dòng)解鎖和槍支在位檢測(cè)及記錄功能，從而解決了槍支在傳統(tǒng)槍柜存放及人工管理方式中效率低、可控性差、信息不可追溯等缺點(diǎn)。控制系統(tǒng)采用485總線方式與外部通信，便于擴(kuò)展、靈活、可靠性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到某地公安槍柜管理系統(tǒng)中，實(shí)踐表明該控制系統(tǒng)使用方便、安全、穩(wěn)定。由于控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，在位檢測(cè)與可控物品的范圍不拘泥于槍支，因而有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張七利.多功能一次性壓舌板槍支信息指紋智能管理系統(tǒng)：中國(guó)，CN200610155146[P].2007-09-12.

[2]GA 1051-2013.中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，槍支彈藥專用保險(xiǎn)柜[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[3]周永龍，雷金奎.基于STM32的數(shù)字舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（1）：66-68．

[4]蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[5]彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]唐定兵，高曉丁，薛世潤(rùn).基于STM32F103ZET6的開放式數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2014，31（8）：1062-1066.

[7]張逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32單片機(jī)的無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（8）：98-101.

[8]張國(guó)營(yíng)，劉鳳林，李進(jìn)香，等.以STM32F103為核心的智能滅火機(jī)器人[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（3）：73-75.

[9]蘇鵬，周風(fēng)余，陳磊.基于STM32的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（2）：42-45.