基于STM32的電動(dòng)挖掘機(jī)信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)①

王鴻雁, 孟祥印, 趙 陽(yáng)(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 成都 610031)

基于STM32的電動(dòng)挖掘機(jī)信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)①

王鴻雁, 孟祥印, 趙 陽(yáng)
(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 成都 610031)

為解決電動(dòng)挖掘機(jī)駕駛室與其電源車(chē)之間有線信號(hào)傳輸?shù)母蓴_和使用不便問(wèn)題, 提供了一種信號(hào)對(duì)傳的無(wú)線解決方案. 以STM32微控制器為核心, 利用Modbus協(xié)議采集電源車(chē)變頻器數(shù)據(jù), 獲取電動(dòng)挖掘機(jī)的用電狀態(tài)和使用數(shù)據(jù), 然后應(yīng)用ZigBee無(wú)線雙向通信協(xié)議傳送給駕駛室的STM32微控制板以顯示, 同時(shí)接收駕駛室的開(kāi)機(jī)、調(diào)速等指令, 指揮電源車(chē)變頻器的工作. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 電動(dòng)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)采集, 以及數(shù)據(jù)的無(wú)線雙向傳輸均運(yùn)行穩(wěn)定可靠, 成功實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能, 具有廣泛的應(yīng)用前景.

電動(dòng)挖掘機(jī); 無(wú)線雙向通信; STM32; ZigBee; Modbus

隨近幾年來(lái), 隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境污染的重視, 純電動(dòng)機(jī)逐漸取代燃?xì)鈾C(jī). 開(kāi)發(fā)純電工程機(jī)械的需求越來(lái)越大. 工程機(jī)械作為國(guó)家建設(shè)的支柱, 對(duì)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的作用舉足輕重, 各國(guó)都對(duì)工程機(jī)械給予強(qiáng)烈關(guān)注, 工程機(jī)械是國(guó)家裝備制造能力的重要體現(xiàn). 工程機(jī)械的質(zhì)量性能反應(yīng)一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力[1]. 而挖掘機(jī)則是應(yīng)用最廣泛的一種工程機(jī)械, 但其發(fā)展亟需解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題: 第一, 減少對(duì)能源的消耗以及對(duì)空氣的污染; 第二, 改善操作人員的工作環(huán)境; 第三, 提高機(jī)械的工作效率; 第四, 提高智能化和自動(dòng)化; 第五, 對(duì)危險(xiǎn)工作場(chǎng)合的適應(yīng)性. 而電動(dòng)挖掘機(jī)的出現(xiàn)則為以上問(wèn)題的解決提供了一種新思路[2]. 但是,由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的限制, 目前電動(dòng)挖掘機(jī)需要將駕駛室與提供動(dòng)力的電源車(chē)分開(kāi), 兩者之間用動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜連接. 工作中拖曳兩根線十分不便, 兩根線纏繞在一起或做在一個(gè)電纜里又容易發(fā)生信號(hào)干擾問(wèn)題.

為解決這一難題, 設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無(wú)線傳輸方案, 采用ZigBee無(wú)線雙向傳輸技術(shù), 在駕駛室和電源車(chē)之間傳輸數(shù)據(jù)和指令. ZigBee技術(shù)可靠性高,抗干擾性強(qiáng), 且為全雙工數(shù)傳[3], 從而保證數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性.

1 功能設(shè)計(jì)與平臺(tái)架構(gòu)

本平臺(tái)主要由電源車(chē)端控制系統(tǒng)與駕駛室端控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成. 控制系統(tǒng)的核心為STM32控制器.

電源車(chē)端功能主要是: 1)采集工作電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)直流工作電壓兩個(gè)信號(hào)量, 并無(wú)線傳輸?shù)今{駛室端. 電源車(chē)內(nèi)的變頻器提供4-20mA的轉(zhuǎn)速信號(hào), 直接從變頻器接線端子引出, 連接到平臺(tái)電源車(chē)端系統(tǒng)的STM32控制器. 工作電壓則是控制器與變頻器之間通過(guò)Modbus協(xié)議通信獲得. 控制器為通信的Master方, 變頻器為Slave. 2)控制電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)速. 電源車(chē)端控制系統(tǒng)接收到由駕駛室端發(fā)出的開(kāi)關(guān)機(jī)指令和調(diào)速指令后, 控制器控制變頻器工作, 起停或調(diào)速工作電機(jī).

駕駛室端控制系統(tǒng)則需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能: 1)工作電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和工作電壓的顯示, 以及故障信號(hào)指示. 通過(guò)LCD顯示單元對(duì)由電源車(chē)端傳輸過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速和電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示. 2)采集由駕駛員通過(guò)駕駛操作器發(fā)出的開(kāi)關(guān)機(jī)(工作電機(jī)起停)和速度調(diào)節(jié)指令, 并無(wú)線傳輸?shù)诫娫窜?chē)端控制系統(tǒng).

由于兩端數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同時(shí)進(jìn)行的, 所以要求無(wú)線傳輸模塊具有全雙工通信能力[4]. 本平臺(tái)采用ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線雙向傳輸, 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

2 平臺(tái)硬軟件設(shè)計(jì)

2.1 主要硬件電路設(shè)計(jì)

1) 主控芯片最小系統(tǒng)

平臺(tái)中主控制器使用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F103VET6芯片作為主控制芯片, 該芯片是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器.具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)[5]. STM32特點(diǎn)如下:

內(nèi)核: ARM32位Cortex-M3 CPU, 最高工作頻率72MHz, 1.25DMIPS/MHz.

存儲(chǔ)器: 片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器. 6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器.

低功耗: 3種低功耗模式: 休眠, 停止, 待機(jī)模式.為RTC和備份寄存器供電的VBAT.

調(diào)試模式: 串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口.

DMA: 12通道DMA控制器.

3個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道): A/D測(cè)量范圍: 0-3.6V. 雙采樣和保持能力. 片上集成一個(gè)溫度傳感器.

2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器: 最多高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口.

最多達(dá)13個(gè)通信接口: 2個(gè)IIC接口, 5個(gè)USART接口, 3個(gè)SPI接口(18 Mbit/s), 兩個(gè)和IIS復(fù)用. CAN接口(2.0B), USB 2.0全速接口, SDIO接口[6].

挖掘機(jī)信號(hào)具有多路輸入輸出, 干擾能力較強(qiáng)等特性, 系統(tǒng)工作時(shí)需要對(duì)環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)能力, 滿(mǎn)足野外工作的需求. STM32較強(qiáng)的抗干擾能力能夠滿(mǎn)足該傳輸系統(tǒng)要求.

2) 采集調(diào)速實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的硬件電路

駕駛室操作器給出的調(diào)速指令信號(hào)和變頻器輸出的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)均為4-20mA的電流信號(hào), STM32控制器采用HCNR201作為主芯片再結(jié)合運(yùn)放電路來(lái)設(shè)計(jì)該電流信號(hào)采集的外圍電路. 將采集到的4-20mA的電流, 通過(guò)硬件電路的I/V變換得到0-3.3V的電壓信號(hào). 控制器通過(guò)ADC端口采集該電壓, 并進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速指令信號(hào)和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集與存儲(chǔ). 其硬件電路圖如圖2所示.

圖2 駕駛室調(diào)速信號(hào)采集電路

3) 采集電機(jī)直流工作電壓的Modbus通信

電機(jī)的直流工作電壓只能通過(guò)在電源車(chē)端與變頻器的數(shù)字通信方法獲得. STM32F103VET6通過(guò)UART3和UART-485轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建RS-485[7]通訊接口的硬件電路. Modbus的傳輸協(xié)議有ASCLL和RTU兩種, 本系統(tǒng)采用RTU 模式. 該模式下每一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀包含: 地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼(低字節(jié)、高字節(jié)). 利用Modbus RTU協(xié)議采集變頻器給出的電機(jī)工作直流電壓的示例如圖3所示.

圖3 Modbus RTU通信示例

4) 電機(jī)起?？刂齐娐?/p>

電機(jī)的起停控制, 是通過(guò)對(duì)變頻器發(fā)出繼電器觸點(diǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的. 本控制器利用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器線圈.

控制芯片輸出電壓為3.3V, 三極管導(dǎo)通壓降為0.7V, 設(shè)基極電阻2K歐姆, 此時(shí)三極管的基極電流則為:

繼電器線圈阻抗400歐姆, 則三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的集電極電流為:

三極管放大倍數(shù)為:

故可選S8050三極管. 其電路圖如圖5所示. 圖4中與繼電器線圈并聯(lián)的是一個(gè)續(xù)流二極管.

5) 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路

電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制室通過(guò)給變頻器輸出的模擬量來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 模擬量的輸出采用PC817芯片, 其應(yīng)用電路如下圖5所示. 當(dāng)主控芯片的P3引腳輸出0-3.3V時(shí), J7兩端輸出對(duì)應(yīng)的電壓.

圖4 電機(jī)起?？刂齐娐?/p>

圖5 模擬量輸出電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所需功能, 電源車(chē)端程序流程圖如圖6所示. 系統(tǒng)初始化后, 檢測(cè)是否發(fā)生中斷, 如無(wú)中斷產(chǎn)生, 則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式. 由于對(duì)只需對(duì)數(shù)值進(jìn)行顯示, 故數(shù)據(jù)包頻率設(shè)置不需太高, 程序每隔100ms依次讀取轉(zhuǎn)速和工作電壓數(shù)據(jù)ADC值和Modbus返回值, 并將所得數(shù)據(jù)存入數(shù)組中發(fā)送到駕駛室端. 當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷時(shí), 系統(tǒng)會(huì)打斷主程序中正在進(jìn)行的程序轉(zhuǎn)而進(jìn)入中斷程序. 中斷有Modbus中斷、故障中斷以及接收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷, 其中, Modbus中斷和故障中斷都會(huì)以數(shù)據(jù)的形式通過(guò)信號(hào)量發(fā)送給主程序, 而在接收到駕駛室端的信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的中斷會(huì)控制繼電器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)機(jī)動(dòng)作或者控制DAC輸出.

圖6 電源車(chē)端STM32控制器程序流程圖

駕駛室端程序任采用主循環(huán)+中斷的模式, 系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序中循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù). 由于對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高, 主程序每隔10ms讀取采集到的調(diào)速數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào), 然后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至數(shù)組中, 再以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)至電源車(chē)端. 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)即檢測(cè)是否發(fā)送中斷, 中斷目的之一為采集開(kāi)關(guān)機(jī)指令, 當(dāng)接收到開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào)時(shí), 系統(tǒng)進(jìn)入中斷, 將開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào)以0x25和0x26兩種指令保存至發(fā)送數(shù)據(jù)幀中, 同主程序一并發(fā)送給電源車(chē)端產(chǎn)生電源車(chē)端的的動(dòng)作中斷. 當(dāng)無(wú)線接收到電源車(chē)端信號(hào)時(shí)產(chǎn)生另一中斷即數(shù)據(jù)接收中斷,接收到的數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和工作電壓, 這兩個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)屏幕顯示給操作員. 而接收到故障信號(hào)時(shí), 駕駛室端的警報(bào)燈受繼電器操作會(huì)不斷閃爍提醒查看故障原因. 駕駛室端程序流程圖如圖7所示.

圖7 駕駛室端程序流程圖

3 數(shù)據(jù)處理與無(wú)線通信設(shè)計(jì)

3.1 全雙工無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee技術(shù)是ZigBee聯(lián)盟基于低功耗、低成本、全雙工的目標(biāo)推出的一種通信協(xié)議[8], 主要作為嵌入式設(shè)備的通信協(xié)議, 廣泛用于電子設(shè)備, 智能家居,自動(dòng)化, 工業(yè)控制中[9]. 其主要優(yōu)點(diǎn)有: 1) 低功耗. 其內(nèi)部通過(guò)降低傳輸數(shù)據(jù)量與幀開(kāi)銷(xiāo), 實(shí)行嚴(yán)格的功率控制. 2) 低成本. ZigBee模塊的嵌入能力比較強(qiáng), 適合在電路板上整合. 3) 可靠性高. 采用載波監(jiān)聽(tīng)多址訪問(wèn)、沖突避免和完全握手方式, 以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃? 4) 工作頻段靈活.

在本平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)時(shí), 無(wú)線傳輸?shù)拿恳粠瑪?shù)據(jù)均加入了首位校驗(yàn)位和末位校驗(yàn)位; 當(dāng)校驗(yàn)均正確時(shí),才開(kāi)始處理數(shù)據(jù), 從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性[10].

3.2 數(shù)據(jù)插值處理算法

模擬量采集電路雖然經(jīng)過(guò)Multisim軟件的仿真,并且經(jīng)過(guò)了實(shí)際硬件電路的驗(yàn)證, 但考慮長(zhǎng)期使用過(guò)程中硬件電路元器件的偏差以及環(huán)境影響, 電流信號(hào)從進(jìn)入到模擬量采集電路中被STM32采集后到被模擬量輸出電路輸出后并不完全吻合, 存在一定的偏差.這就需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理[11]. 典型的插值公式如下所示:

考慮到輸入為4-20mA, 對(duì)公式進(jìn)行變化可得到如下所示:

式中, V0表示初始值W=X-4表示電流從4mA開(kāi)始, I表示單位量為1. XXLXH分別代表插值的數(shù)據(jù).

表1所示即為經(jīng)過(guò)插值前后的數(shù)據(jù).

4 測(cè)試與結(jié)論

本平臺(tái)基于STM32系列的MCU, 利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)和ZigBee無(wú)線通信協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)挖掘機(jī)駕駛室與電源車(chē)相關(guān)信號(hào)的采集控制及兩者之間的無(wú)線雙向數(shù)據(jù)通信. 在成都高新西區(qū)一測(cè)試場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過(guò)一周的連續(xù)工作測(cè)試與檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 在連續(xù)工作模式下,數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀率控制在1%以下, 當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)未能接收到信號(hào)時(shí), 通過(guò)軟件過(guò)濾無(wú)用幀數(shù)據(jù), 由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高, 丟棄一幀數(shù)據(jù)對(duì)控制與顯示無(wú)任何影響. 平均反應(yīng)時(shí)間控制在1ms以?xún)?nèi). 連續(xù)工作24h后, 系統(tǒng)無(wú)異常, 電源車(chē)與挖掘機(jī)端的纜線距離最大為50m, 工作時(shí)直線距離在不超過(guò)40m時(shí)信號(hào)發(fā)送無(wú)任何錯(cuò)誤. 系統(tǒng)工作時(shí), 開(kāi)啟藍(lán)牙、紅外、ZigBee模塊對(duì)其進(jìn)行干擾, 系統(tǒng)無(wú)任何異常, 使用手機(jī)與對(duì)講機(jī)時(shí), 系統(tǒng)也無(wú)異常反應(yīng). 即人工產(chǎn)生信號(hào)干預(yù)時(shí),系統(tǒng)正常. 實(shí)際驗(yàn)證證明該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了所有功能, 電源車(chē)與平臺(tái)的實(shí)物圖如圖8所示.

圖8 電源車(chē)端與平臺(tái)實(shí)物圖

駕駛室端控制器收到電機(jī)工作電壓和當(dāng)前轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)后的LCD顯示屏如圖9所示.

圖9 駕駛室端LCD顯示

實(shí)際試驗(yàn)表明, 平臺(tái)性能穩(wěn)定可靠. 考慮多臺(tái)電動(dòng)挖掘機(jī)同場(chǎng)地作業(yè)情況, 由ZigBee搭建的無(wú)線組網(wǎng)傳輸模式在無(wú)線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)幀中還可以增加目的地址、源地址等信息, 便于信號(hào)配對(duì).

1 楊國(guó)永,谷侃鋒,沙清泉.一種新型電動(dòng)挖掘機(jī)整體.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,(11):61–63.

2 宋路剛.淺談電動(dòng)挖掘機(jī)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用.科技致富向?qū)?2015,(11).

3 劉繩武,范紅,蔡衛(wèi)峰.基于ARM+ZigBee的智能家居防盜報(bào)警系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2015,24(2):257–260.

4 張衛(wèi)星,張桂香,譚成午.基于STM32的環(huán)境多點(diǎn)監(jiān)測(cè)統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(10):3141–3143.

5 Wang HW, Tian X, Du GH, et al. Wireless sensor network platform based on STM32. Advanced Materials Research, 2013, 787:1011–1016.

6 任順航,呂鵬鵬,王立鵬,等.基于STM32的電能手抄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1):75–78.

7 郝曉軍,呂璠.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中CRC校驗(yàn)結(jié)合線性插值糾錯(cuò)技術(shù)研究.制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(9):192–194.

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10 張猛,房俊龍,韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(z1):171–176.

11 郭樂(lè),潘濟(jì)猛,盧家力,等.插值算法在智能變電站中的應(yīng)用.電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(10):103–105.

Wireless Signal Transmission System of Electric Excavator Based on STM32

WANG Hong-Yan, MENG Xiang-Yin, ZHAO Yang
(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to solve the problem of interference and inconvenience due to the use of wired signal transmission between the driving cab and the power supply car of the electrical excavator, the wireless signal transmission solution is proposed. With STM32 microcontroller as the core, use Modbus protocol to collect data of power supply car, and obtain the electric state and data of the electric excavator. ZigBee communication protocol is applied to transmit the data to the STM32 micro control panel in the cab for display, at the same time to receive the speed and other instructions of the cab to command the inverter of power car. Experimental results show that the working states acquisition and the wireless bidirectional data transmission is stable and reliable, and the various functions are realized successfully. It can be prospected that such a wireless bidirectional data transmission solution will be used in a wide range of applications.

electric excavator; wireless two-way communication; STM32; ZigBee; Modbus

四川省科技支撐計(jì)劃(2016GZ0194)

2016-07-12;收到修改稿時(shí)間:2016-09-27

10.15888/j.cnki.csa.005763