基于STM32F103的大包裝噴涂嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李高進(jìn)， 范大任， 姜星星， 繆逢吉

(⒈上海交通大學(xué)，上海 200240； 2.大連船舶重工集團(tuán) 大連造船廠船舶涂裝公司， 遼寧 大連 116005；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

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基于STM32F103的大包裝噴涂嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李高進(jìn)1,3， 范大任2， 姜星星3， 繆逢吉3

(⒈上海交通大學(xué)，上海 200240； 2.大連船舶重工集團(tuán) 大連造船廠船舶涂裝公司， 遼寧 大連 116005；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

隨著船舶行業(yè)雙組份涂料使用的日益廣泛，大包裝噴涂系統(tǒng)受到越來越多船舶企業(yè)和油漆廠商的關(guān)注。針對(duì)基于STM32F103的大包裝噴涂嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)該控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行了最小系統(tǒng)、接口電路、顯示電路等方面的設(shè)計(jì)。利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對(duì)該控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用μC/GUI軟件進(jìn)行了圖形界面設(shè)計(jì)。

大包裝STM32F103控制系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)μC/GUI軟件

0　引言

目前，各大船廠施工使用的雙組份涂料主要用于船舶的壓載艙區(qū)域，占全船油漆用量的40%～45%左右。另外還有貨艙、船體外板、露天甲板、上層建筑外壁等區(qū)域，雙組份涂料相比單組份涂料具有耐腐蝕性強(qiáng)、抗沖擊性好、防腐周期長(zhǎng)及施工周期短的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)異性能在行業(yè)中已得到了充分證實(shí)。

一般情況下雙組份涂料工藝有如下施工流程：配比混合、加溶劑、人工攪拌、熟化、噴涂?，F(xiàn)行工藝優(yōu)點(diǎn)[1]：(1) 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，施工靈活，易移動(dòng)；(2) 設(shè)備成本低廉，易更換?，F(xiàn)行工藝缺點(diǎn)：(1) 雙組份涂料混合、攪拌過程均由人工完成，配比、攪拌及熟化時(shí)間因人而異，易導(dǎo)致涂層質(zhì)量不穩(wěn)定；(2) 小桶油漆桶壁油漆殘留量較大，例如20 L的小桶油漆桶壁油漆殘留量達(dá)1 L左右。(3) 噴涂設(shè)備多，分布廣，管理、維修保養(yǎng)難度高。大量的廢油漆桶還需特殊處理，油漆桶的殘留油漆屬于危險(xiǎn)品，需設(shè)置特定的場(chǎng)地堆放，由專人監(jiān)管，還需有償請(qǐng)環(huán)保公司回收。

隨著企業(yè)對(duì)成本控制和環(huán)保要求的日益提高，一般規(guī)格包裝(20 L/桶)雙組份涂料在這些方面正顯現(xiàn)出一些問題。這些問題不僅使得涂層無法發(fā)揮最佳效果，而且對(duì)船廠的生產(chǎn)成本和效率等方面產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。筆者在進(jìn)行充分市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，決定引進(jìn)韓、日等國船舶企業(yè)的先進(jìn)理念，結(jié)合實(shí)際施工工藝，研制大包裝噴涂系統(tǒng)。該噴涂系統(tǒng)以GRACO公司XM噴涂機(jī)、大包裝涂料桶及其他輔助設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高噴涂設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平，加強(qiáng)噴涂作業(yè)全過程管理，簡(jiǎn)化分段涂裝作業(yè)程序，降低生產(chǎn)成本。

為了實(shí)現(xiàn)大包裝噴涂系統(tǒng)的人員管理、原料管理和設(shè)備管理功能，我們開發(fā)了一套嵌入式控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)概述

XM噴涂機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、故障報(bào)警、狀態(tài)指示、刷卡操作等功能。設(shè)備在作業(yè)過程中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)都會(huì)保存到系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)置SD卡接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、拷貝，供管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析和處理。管理人員可以在電腦上對(duì)操作人員的權(quán)限進(jìn)行更改，規(guī)定設(shè)備的作業(yè)規(guī)范要求，還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行鎖定，使噴涂機(jī)在設(shè)置的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行及操作。本套系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、顯示油漆種類及實(shí)際用量、區(qū)分不同種類的油漆以及對(duì)油漆的余量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)。此外，系統(tǒng)還存儲(chǔ)設(shè)備的總運(yùn)行時(shí)間，維修人員可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)。

2　系統(tǒng)組成

XM噴涂機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)主要由以下部分組成：人機(jī)界面、基于STM32F103的控制主板、IC卡系統(tǒng)等。該系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)，IC卡管理統(tǒng)計(jì)程序，主板上還預(yù)留了一些端口，便于系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展。人機(jī)界面采用高性能彩色顯示屏。系統(tǒng)使用小體積、高效率的內(nèi)置式電源模塊，也可外接電源輸入?？刂浦靼宀捎肧T公司32位ARM Cortex M3 Core高效CPU——STM32F103ZET6，其集成化程度高，可擴(kuò)展性好。IC卡部分由寫卡器和讀卡器兩個(gè)部分組成，使用的是非接觸式射頻卡。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式系統(tǒng)主要由核心板、接口板、人機(jī)界面、按鍵輸入和RF讀卡器組成。

3.1.1核心板

(1) STM32F103簡(jiǎn)介。

核心板由基于STM32F103的控制主板及相關(guān)外圍電路組成，STM32F103為Cortex-M3處理器內(nèi)核，Cortex-M3是ARM公司的一款基于ARMv7體系的處理器內(nèi)核。它針對(duì)MCU領(lǐng)域，在存儲(chǔ)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、調(diào)試接口等方面有很好的改進(jìn)。Cortex-M3具有很多優(yōu)點(diǎn)：性能高而穩(wěn)定、低功耗、極低成本，非常適用于工業(yè)控制系統(tǒng)中[2]。據(jù)于此，將此處理器用于XM噴涂機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。

STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，代碼效率非常高，其ARM內(nèi)核的性能在8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮得淋漓盡致。該微處理器的工作頻率為72 MHz，內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器容量為128 K字節(jié)， SRAM容量為20 K字節(jié)， I/O端口大多為通用I/O端口，端口數(shù)量也很多。

(2) 核心板最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

STM32F103最小系統(tǒng)電路中(見圖2)，包括阻容復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)鐘、RTC時(shí)鐘、Bootloader控制、運(yùn)行指示燈這幾個(gè)部分。下面對(duì)部分電路進(jìn)行說明。

圖2　STM32F103最小系統(tǒng)電路

① 時(shí)鐘電路。

系統(tǒng)時(shí)鐘電路選用8 MHz的HSE晶體作為振蕩器晶振。如圖2所示，由R11、X2、C11及C12構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘電路。通過設(shè)置時(shí)鐘控制寄存器RCC_CR中的HSEON位，可以設(shè)置HSE晶體的ON/OFF狀態(tài)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選擇LSE時(shí)鐘模式，由X1、C9及C10構(gòu)成LSE旁路，提供一個(gè)32.768 kHz的外部時(shí)鐘源。LSE晶體可以選擇低速外部晶體(頻率為32.768 kHz)或陶瓷諧振器。它能夠給系統(tǒng)時(shí)鐘提供精準(zhǔn)且功率消耗較低的時(shí)鐘源。

② 啟動(dòng)模式選擇電路。

通過選擇BOOT[1:0]引腳可以有以下三種啟動(dòng)模式。如表1所示。

表1　啟動(dòng)模式

在系統(tǒng)進(jìn)行RESET操作后，SYSLK的第4個(gè)上升沿，BOOT引腳的值將被鎖定存儲(chǔ)。此時(shí)通過改變BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來設(shè)置在RESET操作后的啟動(dòng)模式。

3.1.2接口板電路設(shè)計(jì)

在接口板電路中，設(shè)計(jì)了AD采樣、DO輸出、DI輸入、按鍵輸入及RS232接口轉(zhuǎn)換等電路。

AD采樣電路采用了ADS8568芯片作為AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有16位AD采集，自帶6通道AD數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)采用了其中的4路作為AD采用電路，其他2路屏蔽。

在DO輸出電路中采用了獨(dú)立的4個(gè)Relay電路，輸出4個(gè)干接點(diǎn)，每個(gè)接點(diǎn)容量為1 A。在DI輸入電路設(shè)計(jì)中，采用了PS2801-1光耦處理，外部使用干接點(diǎn)輸入信號(hào)即可。

在RS232轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，將STM32F103ZET6中兩路的USART轉(zhuǎn)換為RS232，一路接讀卡器，用于讀卡寫卡操作；一路作為預(yù)留，可用于連接PC機(jī)或調(diào)試等用途。

3.1.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面選用的是群創(chuàng)7″屏AT070TN92，該屏配置有晶門公司TFT真彩色液晶顯示屏控制器——SSD1963，該控制器內(nèi)部集成有1 215 kB的幀緩沖器， 能顯示24位真彩色圖片，最大分辨率可達(dá)864×480，芯片可以接收來自不同總線寬度的微處理器并行接口傳送過來的圖片數(shù)據(jù)和命令，普通無RAM的LCD的驅(qū)動(dòng)也可得到支持，色彩深度達(dá)到每像素點(diǎn)24位。

控制器支持8位串行RGB接口，亮度和對(duì)比飽和度可通過編程控制，通過脈寬調(diào)制信號(hào)控制動(dòng)態(tài)背光控制(DBC)，可與單片機(jī)連接，具有8/9/16/18/24位單片機(jī)的接口，內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器，具有4個(gè)GPIO引腳，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　SSD1963結(jié)構(gòu)框圖

本控制系統(tǒng)中SSD1963外部引腳連接圖如圖4所示。

圖4　SSD1963的外部引腳連接圖

該電路采用SSD1963專用TFT屏控制芯作為7″TFT屏控制芯片，易于硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。

此外，控制系統(tǒng)還進(jìn)行了RF讀卡器、RF控制電路及電源電路等設(shè)計(jì)，限于篇幅，不一一詳述。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

大包裝軟件控制部分是基于Keil uVision4開發(fā)環(huán)境之上采用C語言進(jìn)行開發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)，通過編程使得該系統(tǒng)不僅能夠完成對(duì)噴漆作業(yè)過程控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程數(shù)據(jù)的顯示及存儲(chǔ)，具有成熟的人機(jī)界面?？刂葡到y(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

由控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)可知大包裝軟件控制中采用了μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同時(shí)植入了μC/GUI的圖形支持軟件，再加上用戶應(yīng)用程序(APP)即形成了一套完整的軟件控制系統(tǒng)。其中應(yīng)用程序APP即控制系統(tǒng)開發(fā)中基于μC/OS-Ⅱ和μC/GUI之上開發(fā)的應(yīng)用程序代碼。

3.2.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是由Jean J.Labrosse于1992年編寫的一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。可同時(shí)有64個(gè)就緒任務(wù)，通過任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度和切換。在μC/OS-Ⅱ任務(wù)處理中將任務(wù)分為“五態(tài)”，如圖6所示[4]。

圖6　任務(wù)狀態(tài)及相互關(guān)系

當(dāng)有外界事件或數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)能夠接收并快速進(jìn)行處理，處理的結(jié)果能在短時(shí)間內(nèi)反饋來控制任務(wù)過程或?qū)ο嚓P(guān)系統(tǒng)做出快速響應(yīng)，同時(shí)控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)的協(xié)調(diào)、一致運(yùn)行。μC/OS-Ⅱ是一個(gè)具有多任務(wù)、多級(jí)中斷機(jī)制及優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制的高實(shí)時(shí)性、多任務(wù)操作系統(tǒng)。非常適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2.2圖形支持軟件μC/GUI

μC/GUⅠ是一款用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的圖形軟件。它可以為使用圖形LCD的應(yīng)用提供用戶接口，這個(gè)接口不依賴于處理器和LCD控制器，軟件既支持單任務(wù)系統(tǒng)，同樣也支持多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境[5]。本軟件可以用于任何LCD 和CPU的物理和虛擬顯示。軟件的設(shè)計(jì)是模塊化的，由在不同模塊中不同的層組成。一個(gè)層為 LCD驅(qū)動(dòng)程序，涵蓋了對(duì)LCD的全部訪問。μC/GUI適用于所有的CPU，因?yàn)樗?00%是由ANSI的C語言編寫的。

3.2.3軟件控制流程

大包裝A、B雙組份噴漆電氣控制采用ARM 32-bit Cortex-M3嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)攪拌、噴漆的過程實(shí)施自動(dòng)控制，過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(施工隊(duì)名稱、A、B油漆使用量、噴漆工作時(shí)間)自動(dòng)保存到工作卡中。LCD顯示共分成三個(gè)部分：歡迎界面、設(shè)置界面和運(yùn)行界面。作業(yè)的開啟和關(guān)閉由三個(gè)條件決定：①系統(tǒng)進(jìn)入到運(yùn)行界面；②工作卡放入卡槽且讀卡成功；③系統(tǒng)無低液位報(bào)警。三個(gè)條件任意一個(gè)不符合即大包裝雙組份噴漆無法進(jìn)行工作。系統(tǒng)的控制流程如圖7所示。

由流程圖可知，控制箱上電后系統(tǒng)即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，液晶屏顯示系統(tǒng)的歡迎界面，此時(shí)按下Enter鍵系統(tǒng)即進(jìn)入設(shè)置界面，在設(shè)置界面中可以對(duì)A、B噴漆泵的單位流量，A、B組份的初始值進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢按下Enter鍵系統(tǒng)進(jìn)入到運(yùn)行界面，若按下Exit鍵則系統(tǒng)返回到歡迎界面，此外在設(shè)置界面中同時(shí)能顯示工作卡中的歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行界面后首先進(jìn)行兩個(gè)條件判斷：讀卡是否成功以及是否有低液位報(bào)警，若存在低液位報(bào)警則系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序處理報(bào)警，若讀卡未成功則結(jié)束即系統(tǒng)不再往下運(yùn)行。如果讀卡成功且不存在低液位報(bào)警，則此時(shí)按下Enter鍵系統(tǒng)自動(dòng)打開攪拌器，并在延時(shí)10 min后自動(dòng)打開噴漆。若此時(shí)再次按下Enter鍵則系統(tǒng)關(guān)閉攪拌和噴漆，作業(yè)結(jié)束。

圖7　系統(tǒng)控制流程圖

4　調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題

在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，電源轉(zhuǎn)換電路中的電感選擇了貼片式，額定容量1 A，由于發(fā)熱量大頻頻出現(xiàn)焊點(diǎn)熔融，電感脫落，從而導(dǎo)致黑屏的現(xiàn)象。于是調(diào)整為額定容量為3 A的管腳式電感，問題解決，電感發(fā)熱正常，屏幕黑屏問題解決。

5　結(jié)束語

本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)通過與軟件的結(jié)合，進(jìn)行了軟硬件聯(lián)調(diào)，調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，本控制系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于大包裝XM噴涂系統(tǒng)樣機(jī)中。該樣機(jī)已經(jīng)在上海船廠船舶有限公司涂裝施工現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，相比傳統(tǒng)單泵施工工藝，顯著降低了工人作業(yè)強(qiáng)度，省去了人工配比、攪拌環(huán)節(jié)，提高了配比精度；同時(shí)由于不再使用稀釋劑，顯著減少了VOC(揮發(fā)性有機(jī)氣體)的排放，為船舶企業(yè)綠色涂裝提供了技術(shù)支撐。

[1]沈國良.雙組份高壓無氣噴涂泵的發(fā)展[J].上海涂料, 2005,43(11):82-85.

[2]孫書鷹, 陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2010,31(12):59-63.

[3]盧有亮.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[4]葛欣,孟凡榮.使用μC/GUI開發(fā)圖形用戶界面[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2005,26(1):253-255.

Embedded Control System Design of the Bulk Spray Based on STM32F103

LI Gao-jin1,3, FAN Da-ren2, JIANG Xing-xing3, MIU Feng-ji3

(1.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Dalian Shipyard Ship Painting Company,Dalian Shipbuilding Industry Group, Dalian Liaoning 116005, China;3.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

With the increasing application of two-component coatings in shipbuilding industry, more and more shipbuilding enterprises and paint manufacturers gave their attention to the bulk spray system. Embedded control system of the bulk spray based on STM32F103 was researched, including minimum system, interface circuit and display circuit was designed. Besides, the software architecture of control system has been designed with the μC/OS-Ⅱoperation system, the graphical interface was designed by μC/GUI software.

The bulkSTM32F103Control systemμC/OS-Ⅱ operation systemμC/GUI software

李高進(jìn)(1980-)，男，工程師。

U662

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