基于STM32的智能牽引機(jī)的通信系統(tǒng)的設(shè)計

李金金 宋臻 朱建光

摘要：牽引機(jī)是用于 220KV 以上高壓輸電線路施工中必不可少的工程機(jī)械。針對電力施工企業(yè)的牽引機(jī)的改造需求，設(shè)計了基于STM32智能牽引機(jī)的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F407為主控芯片，分別設(shè)計了CAN總線模塊、觸摸屏通信模塊和無線通信模塊。經(jīng)工程實踐表明該系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，滿足企業(yè)的要求，在市場上與同類型產(chǎn)品相比，具有一定的優(yōu)勢，具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：牽引機(jī)；通信系統(tǒng)；模塊化；STM32

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0220-03

作為輸電線路的架空施工過程中最為重要的機(jī)械設(shè)備之一，牽張設(shè)備中牽引機(jī)通信系統(tǒng)的高效性、可靠性對施工的安全及工程進(jìn)度有著舉足輕重的影響。國內(nèi)的許多電力施工企業(yè)的牽張設(shè)備目前研究方向集中在牽張設(shè)備系統(tǒng)故障的預(yù)防和排除，但是近幾年由于施工現(xiàn)場的指令不明等因素導(dǎo)致的人身安全及設(shè)備損耗等事故日益顯著，對于牽引機(jī)的通信系統(tǒng)研究比較少。因此，研發(fā)設(shè)計一種牽引機(jī)通信系統(tǒng)控制器，具有重要的意義，這可以提高牽張設(shè)備架線施工過程中的可靠性、安全性，減小架線人員的工作強度，規(guī)避重大性災(zāi)難事故的發(fā)生、杜絕巨額的經(jīng)濟(jì)損失。本文選擇意法半導(dǎo)體公司的嵌入式領(lǐng)域主流高性能芯片STM32F407作為通信系統(tǒng)的微控制器。

1 通信系統(tǒng)的總體設(shè)計

牽引機(jī)的通信系統(tǒng)是由CAN總線通信模塊、觸摸屏通信模塊、無線通信模塊與存儲模塊組成。CAN總線通信模塊分為CAN1與CAN2通信；CAN1與東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)通信，用來讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力等數(shù)據(jù)并且可以控制發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)速，用來調(diào)整牽引卷筒的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；CAN2用于多機(jī)通信，把不多于四臺的牽引機(jī)組成一個系統(tǒng)，通過設(shè)置主輔機(jī)的模式，操作人員通過控制一臺主機(jī)，就可以實現(xiàn)主輔機(jī)同步同轉(zhuǎn)速牽引鋼絲繩。

STM32F407通過RS485總線與觸摸屏通信，顯示采集到的數(shù)據(jù)和輸入控制參數(shù)等功能。可以實時監(jiān)控牽引機(jī)的運行狀況，可以使施工人員更方便。

無線通線模塊采用市場上最流行的SIM868模塊，其具有GPS衛(wèi)星定位與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｓ捎跔恳龣C(jī)長年在野外工作，為了業(yè)主更好的管理牽引機(jī)，需要GPS衛(wèi)星定位功能給牽引機(jī)進(jìn)行實時定位；還需要把牽引機(jī)數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器。

采集到的數(shù)據(jù)可以存儲在SD卡中；不用更改的觸摸屏數(shù)據(jù)存在外部Flash中，每次觸摸屏的初始數(shù)據(jù)變化時，STM32F407向外部Flash寫一次。

2 控制器的硬件設(shè)計

STM32F407是由ST（意法半導(dǎo)體）公司開發(fā)的一種高性能微控制器。STM32F407選用基于 ARMV7 架構(gòu)Cortex-M4內(nèi)核的32位嵌入式微控制器，具有192KB的SRAM，1MB的FLASH，其內(nèi)核的構(gòu)架非常先進(jìn)，性能也十分優(yōu)越，主頻率最高可達(dá)168MHz，運算能力及數(shù)據(jù)處理水平也非常優(yōu)越，不僅可以完全滿足智能牽引機(jī)的通信系統(tǒng)的需要，而且在硬件設(shè)計過程中容易很多，使得該芯片非常適合用于各種產(chǎn)品及工業(yè)控制。

2.1 CAN通信模塊設(shè)計

本文采用CAN總線實現(xiàn)與發(fā)動機(jī)通信和多機(jī)通信功能。CAN總線收發(fā)器采用ADM3053芯片，其內(nèi)部集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以隔離STM32F407與發(fā)動機(jī)ECU的信號與電源，使通信更加安全、高效。可以把CAN總線上收到CAN-H、CAN-L信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，送到STM32F407的CAN總線控制器引腳。為了防止回波發(fā)射，CAN總線的起止端都有一個120歐姆的終端電阻來做阻抗匹配。

2.2 觸摸屏通信模塊設(shè)計

本文需要用觸摸屏作為人機(jī)界面，監(jiān)控、顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如ADC采集數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)等。STM32F407與觸摸屏的通信電路采用RS485總線，簡單高效，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

網(wǎng)絡(luò)層主要采用RS485/Modbus總線模式，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；物理層采用RS485串行接口；數(shù)據(jù)鏈路層采用Modbus串行鏈路協(xié)議；應(yīng)用層采用Modbus協(xié)議。

其中物理層的實現(xiàn)是把數(shù)據(jù)通過STM32轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成RS485總線電平信號。RS485轉(zhuǎn)換芯片采用ADM2582。該芯片的前后信號、電源全隔離，具備±15 kV ESD保護(hù)功能，可以進(jìn)行高速、多點通信，完全符合本系統(tǒng)要求。

2.3 無線通信模塊設(shè)計

無線通線模塊采用SIM868模塊。此模塊性能穩(wěn)定，工業(yè)級接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以實現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙、GPS衛(wèi)星定位等功能。該模塊功耗較低，與STM32可以依靠串口通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，上面的天線還可以采用直連的方式來保證阻抗的相互匹配。

2.4 存儲模塊

采用4G的SD卡用來存儲ADC采集到的數(shù)據(jù)和CAN總線讀取的發(fā)動機(jī)參數(shù)，SD卡與STM32F407處理器自身具有的SDIO接口完全兼容。STM32F407的SDIO接口，最高通信速度可達(dá) 48MHz，最高每秒可傳輸數(shù)據(jù)24M。

Flash采用的是W25X128，它是一種NOR型SPI Flash，存儲高達(dá)128Mbit；它通過SPI總線與STM32F407進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用于存儲觸摸屏的固定參數(shù)；同時對Flash的CS#、CLK、DI、DO進(jìn)行置位與復(fù)位的操作，便可以實現(xiàn)對Flash的讀、寫、擦除控制。

3 控制器的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計在Keil MDK-ARM開發(fā)環(huán)境里編寫。它集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件開發(fā)工程師所需的特點和功能，提供了完善的設(shè)備調(diào)試和軟件仿真功能，包含了眾多的案例模板和固件實例，支持多種調(diào)試接口 （ 如UART、JTAG 及 JLINK 等 ） ，可大大減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。主程序流程圖如圖1所示：

3.1 CAN總線通信軟件設(shè)計

CAN總線程序是依靠查詢的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，運行中斷方式來接收數(shù)據(jù)的節(jié)點的主程序主要是初始化的控制器CAN以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和處理部分。CAN總線子程序流程圖如圖2所示。

3.2 觸摸屏通信軟件設(shè)計

實現(xiàn)觸摸屏與STM32的通訊，主要是解決通訊協(xié)議的問題。本文使用開放的Modbus通訊協(xié)議，以觸摸屏作主機(jī)，STM32作從機(jī)。觸摸屏本身支持 Modbus通訊協(xié)議，如果STM32編寫底層的Modbus通訊協(xié)議，兩者就可以通信了。

觸摸屏作為上位機(jī)，通過串口向STM32發(fā)送查詢消息幀，并且接收 STM32 發(fā)送回來的消息回應(yīng)幀；下位機(jī) STM32接收到查詢消息幀后，對其進(jìn)行解析、執(zhí)行和回應(yīng)。

Modbus協(xié)議有2種傳輸方式：ASCII和RTU。本文采用RTU傳輸模式，2個消息幀之間至少要相隔3.5個字符時間；消息幀在傳輸?shù)倪^程中必須作為一段連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

3.3 無線通信軟件設(shè)計

通過STM32F407的串口發(fā)送AT指令來控制SIM868模塊的相應(yīng)動作，相關(guān)AT指令如表1所示。將SIM868模塊設(shè)置為透傳模式；這樣在模塊連接TCP成功之后，STM32就可以與SIM868模塊通信，SIM868模塊自動將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，極大地方便了軟件設(shè)計。

在模塊進(jìn)行TCP連接后，若連接不成功則重新進(jìn)行連接；若連接成功，則發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，同時開啟串口中斷接收模塊的返回值，并判斷返回值是數(shù)據(jù)還是命令；若返回值為數(shù)據(jù)則啟用接收，若為命令，則根據(jù)命令號結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)體處理命令。

行NMEA-0183數(shù)據(jù)解析。NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前業(yè)已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA-0183 協(xié)議解析部分，這里利用了一個簡單的數(shù)逗號方法來解析。這樣，我們就可以通過STM32讀出牽引機(jī)所在地的經(jīng)、緯度等信息。

4 結(jié)語

牽引機(jī)控制器設(shè)計完成后，在現(xiàn)場進(jìn)行一系列測試，經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場運行表明，本系統(tǒng)具有通信實時性好，功耗低、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。設(shè)備運行情況良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，與目前國內(nèi)的牽引機(jī)相比具有顯著優(yōu)點。該控制器實物和觸摸屏顯示如圖3、圖4所示。

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