動物瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)顯示與控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

馬明濤（吉林農(nóng)業(yè)科技學院,吉林 吉林 132101）

動物瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)顯示與控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

馬明濤
（吉林農(nóng)業(yè)科技學院,吉林 吉林 132101）

本設計是以STM32F103主控板為核心，充分利用其I/O引腳，并通過與操作系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)各個任務之間的實時性的調(diào)度，使每個任務的執(zhí)行時間得到一個非常準確的保證，并把該信息顯示到TFTLCD顯示屏上并且通過觸摸屏進行一些參數(shù)的設置，實現(xiàn)了一個非常好的動物體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的人機交互界面，同時其它引腳控制電機來實現(xiàn)功能。STM32的高速處理速度以及超低功耗，給動物體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的電機控制帶來了很大的改進。

嵌入式；電機；STM32；TFT

0 引言

人工瘤胃設備是動物醫(yī)學反芻學研究的高精尖設備。目前比較先進的是吉林農(nóng)業(yè)大學的瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，但是設備使用PLC控制器作為電控的主控單元，無論是在成本上、設備所占用面積、以及操作的人機交互界面上都不符合現(xiàn)代社會對精密儀器的要求的需要。本文在現(xiàn)有瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)上進行改進，主控器采用目前較先進的嵌入式處理器。對動物體外連續(xù)培養(yǎng)電控系統(tǒng)，主要的研究內(nèi)容有：控制大型步進電機，采集甲烷、氨氣、二氧化碳的濃度參數(shù)。利用現(xiàn)有的性價比較高的STM32F103處理器作為主控制器，用μC/ OS-II作為操作系統(tǒng)，用320*240 TFT作為人機交互界面。 原理圖見框架圖1。

圖1 框架系統(tǒng)

1 STM32F103微處理器

系統(tǒng)架構(gòu)微處理器STM32F103是意法半導體公司推出的高性能32 Cortex-M3的，作為工業(yè)控制的核心處理器。通過多層AΗB內(nèi)部總線架構(gòu)的處理器連接，內(nèi)部整合集成豐富的外設：USART，bxCAN，SPI，ADC等。微處理器是一個100引腳，該芯片集成了128 KB閃存，高達64 KB的SRAM。一個系統(tǒng)定時器（內(nèi)部看門狗定時器）主要用于制作嵌入式操作系統(tǒng)移植。有了這個定時器，你可以很容易地實現(xiàn)所需的便攜式操作系統(tǒng)時鐘中斷。此計時器的實施，極大地方便了μC/ OS-II系統(tǒng)在處理器上移植[1]。

2 顯示系統(tǒng)的設計

在嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面需要輕型，占地面積小，高性能，高可靠性，便攜性，可配置等特點。 μC/ GUI是這樣專為嵌入式圖形用戶界面軟件設計的應用程序。 μC/ GUI內(nèi)核是非常小的，含有一個窗口，并控制整個μC/ GUI。系統(tǒng)的管理只需要30～60K的ROM中的，2～6K的RAM（基于窗口的數(shù)量），和1. 2K堆棧空間可以流暢運行。μC/ GUI是完全用ANSI2C編譯的，所以它是與處理器無關(guān)的，它可以很容易地移植到不同的操作系統(tǒng)和嵌入式微處理器，并支持任何規(guī)模大小圖形液晶顯示器。它在任何使用獨立的處理器和LCD控制器之外的有效的圖形用戶界面的接口，并支持單色，灰度和彩色顯示。它的2D圖形庫和窗口管理功能，可以讓我們輕松實現(xiàn)類似于嵌入式系統(tǒng)Windows圖形界面。

TFT-LCD它是一個薄膜晶體管液晶顯示裝置。TFT-LCD和無源的TN-LCD，STN-LCD的簡單矩陣不同的是每個像素設置有薄膜晶體管（TFT），能有效地克服非選通時的串擾，靜態(tài)特性顯示液晶屏與掃描線數(shù)無關(guān)，從而大大提高了圖象質(zhì)量。 TFTLCD包含16條數(shù)據(jù)線，讀寫線，指令/數(shù)據(jù)控制線，片選線，液晶硬件復位線，背光控制線。STM32F103VET6作為MCU，F(xiàn)SMC一個16位的并行接口，以18080接口的定時。為了實現(xiàn)彩色顯示和效率的平衡，在使用16位64K彩色接口模式。有五個紅，六個綠，五個藍色的各像素來代表共16個，320 * 240的分辨率。圖像占據(jù)320 * 240* 2 =153600字節(jié)[5]（圖2）。

圖2　TFTLCD電路

3 步進電機

3.1 硬件部分

系統(tǒng)中用的TΗB6128是東芝公司生產(chǎn)的57系列步進電機。TΗB6128細分型兩項混合式步進電機驅(qū)動控制芯片，最高耐壓40V （DC），適用驅(qū)動電流小于2A，外徑小于57毫米的兩相混合式步進電機，如24、28、39、42、57等步進電機,具有快衰、慢衰、混合式衰減三種衰減方式，內(nèi)置溫度保護和過流保護[6]。驅(qū)動原理：STM32的通用定時器3產(chǎn)生的兩路PWM輸出為電機1和電機2提供穩(wěn)定的驅(qū)動脈沖。通用輸入輸出口PC1、PC2、PC3用來控制電機1的細分設定，通用輸入輸出口PB12、PB13、PB14用來控制電機2的細分設定。電路原理圖如圖3。

3.2 軟件部分

STM32的定時器除了TIM6，TIM7外都能用來產(chǎn)生PWM波輸出，其最多可以同時產(chǎn)生30路PWM輸出。它不像51單片機那樣，需要通過輸出高低電平來模PWM的輸出，只需要配置定時器和端口，通過軟件改變占空比即可，不同的占空比能對電機起到調(diào)速的作用。

圖3 電機原理圖

PWM輸出配置[6]

（1）開啟TIM3時鐘，配置PC6、PC7為復用輸出。通過設置APB1ENR開啟TIM3的時鐘，配置PA7為復用輸出，打開TIM3_ CΗ2、TIM3_CΗ3；（2）設置TIM3的ARR和PSC 。打開TIM3時鐘之后，設定ARR和PSC兩個寄存器的值來控制PWM周期的輸出；（3）設置TIM3_CΗ2、TIM3_CΗ3的PWM模式。設置TIM3_CΗ2為PMW模式（默認是凍結(jié)的），因為系統(tǒng)需要1KΗz的方波作為電機的驅(qū)動脈沖，所以通過配置TIM3_CCMR1的相關(guān)位來控制TIM3_CΗ2的模式來輸出1KΗz方波后保持不變即可；（4）設置TIM3的CΗ2輸出，使TIM3能用。設置完后，啟動通用定時器TIM3的通道2、通道3以及TIM3。前者由TIM3_CCER1設置，它是一個單路開關(guān)，后者通過TIM3_CR1設置，是整個TIM3的總開關(guān)。設置這兩個寄存器，可以看到TIM3通道2的PWM波輸出。

通過以上步驟，STM32的PC6和PC7就可以控制TIM3的CΗ2、CΗ2輸出 PWM波了。

4 結(jié)語

系統(tǒng)上電，觸摸屏控制正常，電機按照觸摸屏動作進行正反轉(zhuǎn)、調(diào)速。二氧化碳傳感器、甲烷傳感器實時監(jiān)測氣體濃度，并且將監(jiān)測的氣體濃度上傳到系統(tǒng)內(nèi)部，通過液晶屏輸出顯示。各個部件均按照設計正常工作和運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)改造設計成功。

[1]基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用[M].北京航空航天大學出版社,2008.

[2]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)原理及其應用[S].北京航空航天大學出版社,2006.

[3]奮斗嵌入式開發(fā)工作室.嵌入式實時操作系統(tǒng)ucosII在奮斗板上的應用[J].2011.

[4]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005(01).

[5]基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用[M].北京航空航天大學出版社:2008. [6]高細分步進電機集成芯片THB6128[ EB /OL].

馬明濤（1972-），男，吉林吉林人，副教授，主要從事：電子電路和信號的檢測、傳輸方面的研究。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.221

吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目 （編號2013342）