基于ARM的智能密集架控制系統(tǒng)設(shè)計

孔令楊 張向陽 孫成立

摘 要： 為了解決當(dāng)前密集架控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、功耗高、操作不便捷等問題，提出一種將ARM處理器與密集架控制系統(tǒng)相結(jié)合的方法，設(shè)計基于ARM的智能密集架控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32單片機作為處理器，LCD液晶顯示屏實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示以及對密集架的操作，利用直流無刷電機來實現(xiàn)架體的運轉(zhuǎn)，各密集架之間采用無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，外圍電路則負(fù)責(zé)對系統(tǒng)狀態(tài)信息實時檢測并反饋給處理器。該系統(tǒng)較比傳統(tǒng)密集架控制系統(tǒng)，在穩(wěn)定性和功耗等各個方面都有很大的改善，具有很好的實用價值。

關(guān)鍵詞： 密集架； 智能控制； 直流無刷電機； 無線通信； ARM； STM32單片機

中圖分類號： TN876?34； TP273+.5 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0070?04

Abstract： A method of combining the ARM processor with the compact shelf control system is proposed， and an intelligent compact shelf control system based on ARM is designed， so as to resolve problems of poor stability， high power consumption， and inconvenient operation of the current compact shelf control system. The STM32 SCM is adopted as the processor of the system. The liquid crystal display （LCD） is used to achieve data display and compact shelf operation. The brushless DC motor is used to achieve the rotation of the shelf body. The date transmission between compact shelves is realized by means of wireless communication. The peripheral circuit is responsible for real?time detection of system status information and feed it back to the processor. In comparison with the traditional compact shelf control system， the system has improved a lot in respects of stability and power consumption， and has a good practical value.

Keywords： compact shelf； intelligent control； brushless DC motor； wireless communication； ARM； STM32 SCM

0 引 言

近年來，密集架控制系統(tǒng)[1]的出現(xiàn)給社會帶來了很大的便捷，不僅可以幫助人們有序地管理和儲藏物品，還可以極大地節(jié)省儲存空間。但是，隨著嵌入式技術(shù)的普遍應(yīng)用與發(fā)展，人們對密集架系統(tǒng)的要求也越來越高，傳統(tǒng)密集架已經(jīng)不能滿足社會的需求。因此，設(shè)計一套新型智能化的密集架控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

目前，密集架控制系統(tǒng)的控制方式主要有三種，即：基于繼電器[2]、基于PLC[3]、基于微控制器MCU。其中，基于繼電器的控制方式主要利用邏輯控制電路來實現(xiàn)對電氣部分的操作，操作簡單便捷，但抗干擾能力差；而基于PLC的控制方式是一種以可編程存儲器為核心的控制電路，這種控制方式不僅處理速度快，而且抗干擾性強，但是這類控制器價格較為昂貴，不適用于密集架控制系統(tǒng)；基于微控制器MCU的控制方式主要是通過嵌入在控制板中的MCU來實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的操作，不管是性能還是價格方面都有一定的優(yōu)勢，這種控制方式在密集架控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。

本文所設(shè)計的是一套基于ARM的密集架控制系統(tǒng)[4]，核心芯片采用32位的CortexTM?M3處理器STM32F103ZET6，該處理器具有性能強、功耗低等優(yōu)點，將這種處理器應(yīng)用到密集架控制系統(tǒng)可以將它的性能充分地在系統(tǒng)中展現(xiàn)出來。

1 系統(tǒng)簡介

密集架控制系統(tǒng)是一種嵌入式控制系統(tǒng)[5]，通過控制核心與外圍設(shè)備的結(jié)合實現(xiàn)對密集架的控制。本文所設(shè)計的智能密集架控制系統(tǒng)主要分為對控制模塊的設(shè)計和對外圍電路模塊的設(shè)計。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)上位機連接一套數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[6]，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)信息的有效管理，以及對密集架的操作和密集架狀態(tài)信息的查詢。系統(tǒng)下位機以STM32F103ZET6芯片為核心處理器構(gòu)成控制模塊，多套控制模塊組成一套主從控制模塊。

主控制模塊中，顯示與操作模塊主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)信息以及對密集架系統(tǒng)進行操作；溫濕度檢測模塊與主控制模塊相連接，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)溫度和濕度進行實時檢測，并不斷將檢測到的數(shù)據(jù)反饋到處理器；系統(tǒng)采用無線通信的方式實現(xiàn)內(nèi)部信息的傳遞與交流，不僅可以方便密集架架體的搬運與安裝，還可以防止采用有線通信時，長時間運行造成的線路不穩(wěn)定，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；電源模塊負(fù)責(zé)輸出持續(xù)穩(wěn)定的電壓，為控制模塊持續(xù)提供額定電壓，保證其穩(wěn)定工作。

從控制模塊中，電機驅(qū)動模塊為執(zhí)行模塊，主要負(fù)責(zé)控制電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)密集架架體的運行[7]；各傳感器模塊包括紅外線傳感器、壓力傳感器、接近開關(guān)等模塊，其目的是在密集架運行的同時實時檢測架體之間的狀態(tài)信息，從而保證在密集架運行時人在架體中的安全，防止出現(xiàn)意外；照明模塊負(fù)責(zé)在密集架打開之時對架體間過道照明，密集架關(guān)閉時照明電路自動斷電；設(shè)置在架體外側(cè)，負(fù)責(zé)對密集架進行手動操作。該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、功耗低、抗干擾能力強，能夠滿足現(xiàn)代密集架控制系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括對控制模塊的設(shè)計、電機驅(qū)動模塊的設(shè)計、無線通信模塊的設(shè)計。

2.1 控制模塊的設(shè)計

本文選用的控制芯片為STM32F103ZET6 [8]，其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置512 kB的閃存和64 kB的SRAM，工作電壓為0～3.6 V，有144個引腳，其中I/O口有112個，可以擴展豐富的外設(shè)資源。該芯片處理效率高、功耗低，可以很好地嵌入到各種控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?？刂颇K電路圖如圖2所示。

圖中，復(fù)位電路為低電平復(fù)位，采用電阻與電容的組合構(gòu)成上電復(fù)位電路，與芯片的RESET端相連，既可以復(fù)位MCU，也可以復(fù)位LCD；而時鐘電路則為系統(tǒng)提供時鐘信號，保證系統(tǒng)各個模塊的運行能夠有一個統(tǒng)一的基準(zhǔn)時鐘。

本文顯示與操作模塊采用TFT?LCD液晶顯示屏，同時這也是一款觸摸屏。其中，LCD的T_MISO，T?MOSI，T_PEN，T_SCK，T_CS分別與STM32F103ZET6芯片的PB2，PF9，PF10，PB1，PF11相連，負(fù)責(zé)對液晶顯示屏的控制；RST端直接與系統(tǒng)的復(fù)位電路相連，在復(fù)位電路工作時，同時復(fù)位MCU和液晶顯示屏；另外，將LCD_BL與處理器芯片的PB0端相連，實現(xiàn)對液晶顯示屏亮度的調(diào)節(jié)。

2.2 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計

由于密集架架體較重，功率較小的電機不能滿足架體的運轉(zhuǎn)需求，所以本文選用24 V、120 W的直流無刷電機[9]，這種電機具有低噪聲、無火花、長壽命、體積小等優(yōu)點。

本文所設(shè)計的電機驅(qū)動電路中電機的加減速以及停止通過控制器輸出的PWM波來控制。這是一種脈寬調(diào)制方式[10]，通過改變PWM波的占空比來控制電機工作的時間。電機驅(qū)動模塊電路圖如圖3所示。

該驅(qū)動電路主要分為三個部分，即：逆變器、電流檢測部分和位置檢測部分。其中，逆變器主要是由IR2132驅(qū)動芯片、3個N溝道MOS管和3個P溝道MOS管組成。N溝道MOS管和P溝道MOS管組成3條控制電路，而由于對直流無刷電機的控制是由3路控制信號（A路、B路、C路）來實現(xiàn)的，所以通過3條控制電路與3路控制信號組合，利用處理器輸出6路PWM波，不斷地改變各個MOS管的通斷狀態(tài)，可以實現(xiàn)電機控制信號AB，AC，BA，BC，CA，CB的循環(huán)導(dǎo)通，從而達到電機的不斷運轉(zhuǎn)。同時，通過改變PWM波的占空比，可以改變MOS管導(dǎo)通時間，從而控制電機兩端的電壓值，達到控速的目的。另外，電路中還添加了過流保護電路，通過檢測電路中的電流，并將過流信號輸入到Itrip端，即可來完成對電路的過流和直通保護。

2.3 無線通信模塊的設(shè)計

本文通信模塊采用無線通信的方式，核心芯片為NRF24L01，其電路圖如圖4所示。

圖4中：NRF24L01芯片接3.3 V穩(wěn)壓電源，ANT1和ANT2則接一個50 Ω的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與天線匹配，CSN為片選線且低電平有效，通過設(shè)置CSN端電平高低可以控制芯片是否工作； IRQ為中斷信號，是處理器與NRF24L01通信的主要方式，SCK為芯片控制的時鐘線，與處理器的時鐘相匹配，MISO，MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線；CE為模式控制線，與CONFIG寄存器共同決定芯片的工作狀態(tài)，通過改變CE端與寄存器PWR_UP，PRIM_RX的值，可以決定NRF24L01的工作模式，以此保證無線通信模塊的收發(fā)正常，其主要工作模式如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總框架軟件設(shè)計

本文對下位機控制程序的設(shè)計，是通過嵌入μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的，利用ARM處理器與小型操作系統(tǒng)的結(jié)合，將操作系統(tǒng)效率高、可擴展性強等優(yōu)勢充分發(fā)揮到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能化操作，其主程序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)開機后，首先初始化各個模塊。初始化后，主從控制模塊通過對各輔助模塊的反饋信息的處理，將所需要顯示的信息分類并通過液晶顯示屏顯示出來，其中包括整個系統(tǒng)的溫濕度狀態(tài)信息和各個模塊的工作狀態(tài)信息。在顯示出狀態(tài)信息后，系統(tǒng)會判

斷溫濕度是否超出警戒線，選擇是否報警以及通風(fēng)操作，然后，系統(tǒng)會根據(jù)接收到的命令信息對各個移動列進行操作，主要包括外部按鍵命令、內(nèi)部系統(tǒng)命令以及傳感器信號命令。外部按鍵操作命令處理的優(yōu)先級最高，當(dāng)多種命令同時存在時，優(yōu)先處理外部按鍵操作命令，外部按鍵命令包括密集架間的急停按鈕和左右移動按鈕。當(dāng)系統(tǒng)不再接收到按鍵命令時，則會根據(jù)系統(tǒng)命令實現(xiàn)對密集架的操作。密集架運轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)會判斷是否接收到傳感器信號，若接收到，電機會停止運轉(zhuǎn)并對其進行相應(yīng)的處理，直至不再有傳感器信號反饋為止。

3.2 系統(tǒng)操作界面軟件設(shè)計

本文設(shè)計的下位機操作界面如圖6所示，系統(tǒng)初始化后，會進入界面首頁，用戶可在界面上對系統(tǒng)進行狀態(tài)信息查詢、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)操作，并且用戶還可以閱覽公告來獲取系統(tǒng)信息，操作界面頂部也會不斷更新系統(tǒng)CPU使用率、內(nèi)部溫度及時間等信息。

其中，系統(tǒng)操作界面會顯示各列目前的工作狀態(tài)，選擇相應(yīng)列后，系統(tǒng)界面會彈出當(dāng)前列狀態(tài)信息與操作按鈕窗口，用戶可以根據(jù)需求對密集架進行開架、閉架、通風(fēng)等操作。通過對系統(tǒng)操作界面智能化的設(shè)計，用戶可以輕松完成對密集架控制系統(tǒng)的操作與管理，其操作簡單明了、方便快捷，可以很好地實現(xiàn)人機交互。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)密集架控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、功耗高、操作不便捷等問題，本文構(gòu)建了基于ARM的智能密集架控制系統(tǒng)。其中，處理器采用STM32F103ZET6芯片，并以此為核心組成控制模塊；同時，控制模塊與液晶顯示屏相結(jié)合，通過嵌入μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對密集架的智能控制與操作；電機驅(qū)動模塊采用24 V直流無刷電機，通過PWM波與三相逆變電路的結(jié)合，實現(xiàn)對電機的控制；通信模塊采用無線通信的方式，可以有效降低系統(tǒng)的損壞程度，方便系統(tǒng)的操作。本文所設(shè)計的智能密集架控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強、功耗低、操作便捷，具有很好的實用價值；同時其人性化的設(shè)計思路也可適用于其他控制系統(tǒng)，對于其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)有很好的借鑒作用。

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