宋少敏 曹嘉毅
(中國人民武裝警察部隊(duì)水電第八支隊(duì) 四川 成都 610036)
基于STM32F407VE的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
宋少敏曹嘉毅
(中國人民武裝警察部隊(duì)水電第八支隊(duì)四川成都610036)
針對傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)功能單一、布線復(fù)雜等問題,設(shè)計(jì)了以STM32F407VE微處理為控制核心的高性能控制系統(tǒng)。STM32F407VE通過RS485總線與變頻器通訊,對橋式起重機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制;通過鍵盤和觸摸屏接收用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。該控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面,能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),布線簡單,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
橋式起重機(jī);控制系統(tǒng);STM32F407VE;RS232;RS485
橋式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于工廠、碼頭、室內(nèi)外倉庫和露天貯料場等處,是使用數(shù)量最多的一種起重機(jī)械,越來越多的應(yīng)用場合對橋式起重機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程序提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)多采用按鍵直接控制的方式,這種控制方法功能單一,沒有用戶界面因此不能顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),接線繁雜,給維護(hù)帶來了很大的不便。設(shè)計(jì)更高效、功能更強(qiáng)大、安全性能更好和維護(hù)成本更低的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)來提高橋式起重機(jī)的運(yùn)行效率、增強(qiáng)可靠性和節(jié)省成本具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。STM32F407VE是基于ARM公司CortexTM-M4架構(gòu)的32位精簡指令處理器,具有高性能、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn),以該芯片構(gòu)建的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、功能強(qiáng)大的人機(jī)界面,使橋式起重機(jī)的控制智能化[2]。
控制系統(tǒng)的核心為STM32F407VE芯片,負(fù)責(zé)接收用戶從鍵盤或觸摸屏中輸入的控制命令,并檢測傳感器采集到的信號,根據(jù)用戶的命令和傳感器檢測到的系統(tǒng)狀況,實(shí)時(shí)地控制起重機(jī)各部分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作以完成相應(yīng)的功能。起重機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 起重機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
STM32F407VE芯片的UART(通用異步收發(fā)傳輸器)接口發(fā)出的信號通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換成符合RS232通信方式的信號,再通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器,將RS232信號轉(zhuǎn)換成符合RS485總線通信的信號。變頻器1~3接入RS485總線,通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器與STM32F407VE芯片通信[3]。
傳感器1~N通過A/D轉(zhuǎn)換接口將檢測到的模擬信號發(fā)送到STM32F407VE中,STM32F407VE的A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后供應(yīng)用程序使用。
鍵盤通過USB接口與STM32F407VE連接,接收用戶的控制命令;觸摸屏通過SPI接口與STM32F407VE連接,顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并接收用戶的控制命令。
2.1STM32F407VE
STM32F407VE是基于ARM公司CortexTM-M4架構(gòu)的32位精簡指令處理器,內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)168MHz,具有一個(gè)單精度浮點(diǎn)單元(FPU),支持ARM所有單精度數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)處理指令[4]。該處理器有高性能、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn),具有以下特點(diǎn):
(1)自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器(ART),實(shí)現(xiàn)從Flash存儲器中零等待運(yùn)行;具有210DMIPS/1.25DMIPS/MHz的高性能;
(2)Flash:512KB,SRAM:192KB;
(3)LCD并行接口,支持8080/6800兩種模式;
(4)豐富的外設(shè)資源:12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、82個(gè)具有中斷功能的GPIO、2路12位D/A轉(zhuǎn)換器、3路SPI,2路I2C,4路USART、2路UART、2個(gè)CAN2.0B接口、2個(gè)USBOTG接口、1個(gè)Ethernet MAC 10/100接口、1個(gè)SDIO接口。
2.2通訊接口電路設(shè)計(jì)
RS-232采用負(fù)邏輯電平,電壓在3~15V范圍內(nèi)為邏輯0,在-3~-15V范圍內(nèi)為邏輯1。而STM32F407VE的4個(gè)USART(通用同步/異步串行接收/發(fā)送器)和2個(gè)UART(通用異步串行接收/發(fā)送器)均為TTL電平。為了使STM32F407VE與RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器的RS-232接口通信,必須添加電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路,將STM32F407VE的TTL電平轉(zhuǎn)換為符合RS-232通信的電平[5]。本系統(tǒng)采用MAX232芯片完成此功能,通訊接口電路連接原理如圖2所示。
圖2 通訊接口電路連接示意圖
2.3觸摸屏電接口電路設(shè)計(jì)
STM32F107VE通過SPI1接口與ADS7846相連,觸摸屏接口電路連接原理如圖3所示。STM32F107VE作為主設(shè)備,ADS7846作為從設(shè)備。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口,它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。MOSI:主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入;MISO:主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出;SCLK:時(shí)鐘信號,由主設(shè)備產(chǎn)生;NSS:從器件使能信號,由主器件控制[6]。ADS7846是四線式觸摸屏控制器,分時(shí)向X、Y電極對施加電壓,并把測量電極上的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)觸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo),并通過中斷請求通知STM32F407VE有觸摸動(dòng)作發(fā)生[7]。
圖3 觸摸屏接口電路連接示意圖
控制系統(tǒng)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)四部分功能:接收用戶命令、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集和電機(jī)控制。
系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化,然后通過RS485總線與變頻器通訊,等待變頻器就緒,變頻器就緒后程序進(jìn)入主循環(huán),不斷接收并響應(yīng)用戶命令、獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況[8]??刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖4所示。
以STM32F407VE為核心的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)提供了更豐富的功能,具有良好的人機(jī)界面,實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。采用RS485總線通訊方式,使布線更簡單,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,節(jié)省了維護(hù)成本。
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圖4 控制系統(tǒng)軟件流程圖
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TP273
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1673-0038(2015)08-0064-02
2015-2-5
宋少敏(1988-),男,助理工程師,本科,主要從事水電工程方面的工作。
曹嘉毅(1987-),男,工程師,本科,主要從事水電工程方面的工作。