基于STM32的直接數(shù)字控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林智偉 玄金龍 亓金成 李雨簾 高倩

摘 要為滿足安全穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)智能控制的需求，對(duì)基于STM32的直接數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。采用模塊化設(shè)計(jì)和在線編程等技術(shù)，詳細(xì)介紹了控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)和各軟件功能模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)軟硬件功能等進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，控制器具有顯示直觀準(zhǔn)確、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類(lèi)監(jiān)控及控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】智能控制 STM32 直接數(shù)字控制器 傳感器

隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)智能化、高效化、節(jié)能化的不斷發(fā)展，早期采用中小規(guī)模集成電路的直接數(shù)字控制器已被市場(chǎng)淘汰。而作為一種現(xiàn)場(chǎng)控制器，直接數(shù)字控制器（direct digital controller，DDC）具有獨(dú)立的控制程序，能夠獨(dú)立完成過(guò)程控制的全部要素，具有一定的不可替代性。因此，基于科技發(fā)展與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)一款以嵌入式開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ)的直接數(shù)字控制器具有充分的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

本控制器選用ST（意法半導(dǎo)體）公司的32位ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32F407系列單片機(jī)作為主處理芯片。在設(shè)計(jì)硬件電路過(guò)程中，各部分均采用獨(dú)立電源供電；隔離電路采用光耦隔離與最新的磁隔離技術(shù)相結(jié)合的方案；ADC與DAC均采用16位分辨率，結(jié)合獨(dú)立參考電壓源與輸入輸出調(diào)理電路保證了模擬量數(shù)據(jù)的可靠性；設(shè)計(jì)使用SHT21溫濕度傳感器對(duì)控制器工作的環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；借助成熟的TFT觸摸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與人機(jī)交互功能。

1.2 系統(tǒng)框圖

直接數(shù)字控制器主要由五部分組成，分別是主控制器、電源、輸入口、輸出口、顯示屏。直接數(shù)字控制器通過(guò)模擬輸入口和數(shù)字輸入口對(duì)傳感器或者工業(yè)變送器上傳的電信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波、轉(zhuǎn)換后送到主控制器單元；主控制器單元對(duì)傳送過(guò)來(lái)信號(hào)進(jìn)行分析、處理后，按照程序設(shè)計(jì)輸出數(shù)字信號(hào)，輸出信號(hào)或經(jīng)過(guò)數(shù)字輸出口轉(zhuǎn)換電平、或經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量后輸出，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，各部分均采用獨(dú)立電源供電。輸入級(jí)首先采用成品的開(kāi)關(guān)電源將220V/50Hz的市電轉(zhuǎn)換成24V的直流電，后采用DC/DC定電壓非穩(wěn)壓模塊與線性LDO相結(jié)合的方式供電，采用外部精密電壓源為ADC與DAC提供參考電壓。

2.2 模擬輸入電路

AD7606內(nèi)部自帶運(yùn)放調(diào)理電路，因此輸入通道的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，使用瞬態(tài)抑制（TVS）二極管作為防靜電保護(hù)器件。模擬量輸入通道可接收±10V信號(hào)，具有防靜電、限流、過(guò)壓保護(hù)能力。

2.3 模擬輸出電路

模擬輸出電路采用TI公司生產(chǎn)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8563和 OPA4177運(yùn)放及其外圍電路組成模擬輸出電路。使用16Bits、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模擬量的輸出，其使用單5V供電，REF192作為精密電壓源提供參考電壓。輸出后級(jí)接OPA4177運(yùn)放進(jìn)行放大和跟隨。

2.4 數(shù)字輸入電路

數(shù)字輸入電路中，在繼電器、數(shù)字式光耦與數(shù)字隔離器之間選擇數(shù)字光耦TLP521作為數(shù)字輸入電路的隔離器件。開(kāi)關(guān)光電耦合器TLP521作為電平轉(zhuǎn)換器，將24V信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V信號(hào)，并使用LED燈作為通斷指示。

2.5 數(shù)字輸出電路

數(shù)字輸出電路同樣使用光電耦合器作為數(shù)字量輸出通道的隔離器件，但是在外部使用了三極管放大器來(lái)擴(kuò)流、其最大輸出電流達(dá)1A，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)20kHz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

直接數(shù)字控制器的軟件部分主要包括掃描程序、輸入程序、輸出程序和數(shù)據(jù)處理程序三大部分。掃描程序主要掃描儀表的按鍵和觸摸屏，實(shí)現(xiàn)從按鍵輸入數(shù)據(jù)或設(shè)置功能，完成對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的任務(wù)；輸入程序主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信的任務(wù)；輸出程序主要完成對(duì)設(shè)定的數(shù)字量和模擬量精確輸出的任務(wù)；數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)濾波、運(yùn)算和分析等任務(wù)。軟件整體框圖如圖 2 所示。

4 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

使用模擬量輸出通道1作輸出測(cè)試，模擬量輸出精度測(cè)試如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，DDC在正常工作下，模擬量輸出精度能達(dá)到0.3%之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本控制器采用多項(xiàng)嵌入式先進(jìn)技術(shù)，具有使用簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、開(kāi)發(fā)相對(duì)容易和開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)。控制器具有人機(jī)交互界面，易于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障；同時(shí)，控制器通道多，可作為傳感器較多的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所或者樓宇自動(dòng)化的核心控制器使用。系統(tǒng)測(cè)量精度高、運(yùn)算速度快、控制效果好、運(yùn)行穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠滿足功能要求及操作環(huán)境要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2011：210-285.

作者單位

青島理工大學(xué) 山東省青島市 266520