基于STM32單片機(jī)的動(dòng)車集便控制器設(shè)計(jì)

劉厚文，胡易軒

（1.山東中車華騰環(huán)?？萍加邢薰荆綎| 濟(jì)南250022；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春130062）

鐵路真空集便系統(tǒng)是保證乘車旅客旅行如廁時(shí)不可缺少的重要設(shè)備，整個(gè)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的核心為集便系統(tǒng)控制器，它不但采集凈水箱、污物箱液位、加熱等狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)車上便器系統(tǒng)各個(gè)傳感器信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各電磁閥、指示燈等部件的工作，實(shí)現(xiàn)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的控制?？刂瞥绦虺藵M足最基本的功能需求，還具有故障自診斷、數(shù)據(jù)監(jiān)控程序，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性[1]。

本文硬件上是基于Stm32芯片為集便控制器的MCU控制核心[2]，通過(guò)光耦、繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出的干擾隔離，利用液晶屏實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控；軟件上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本沖洗循環(huán)功能，針對(duì)故障的發(fā)生設(shè)置自診斷邏輯程序，系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)通過(guò)MCU與液晶屏的數(shù)據(jù)傳輸，以最直觀的方式展現(xiàn)給用戶。

1 系統(tǒng)組成及原理

該控制器的硬件電路主要分為：主控最小系統(tǒng)、輸入接口、輸出接口、通訊接口、TCMS接口和本地監(jiān)控液晶屏等部分。

動(dòng)車組列車上供集便系統(tǒng)的電源為110 VDC，而集便系統(tǒng)的檢測(cè)部件和驅(qū)動(dòng)電磁閥等部件所需電壓為24 VDC，因此，在控制器的設(shè)計(jì)中，考慮驅(qū)動(dòng)電磁閥數(shù)量較多的因素，選用功率150 W，110 VDC轉(zhuǎn)24 VDC變壓模塊。而電源模塊輸出的電壓不能直接供給STM32控制芯片，所以在輸出的24 VDC后需要將其再進(jìn)行降壓、濾波的處理，最后獲得穩(wěn)定的3.3 VDC用于MCU的供電。選用的液晶屏及其驅(qū)動(dòng)的供電電壓為24 V，通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換的24 V電壓可直接供液晶屏驅(qū)動(dòng)。在輸入檢測(cè)電路中，為避免主回路中的強(qiáng)電干擾控制回路中的弱電信號(hào)，在其電路中加入光耦隔離，實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)化，減少外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的可靠采集。輸出的驅(qū)動(dòng)電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)電磁閥的控制。硬件的接口框圖，如圖1所示

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU最小系統(tǒng)

本控制器采用STM32F103ZET6芯片為MCU，由于該控制芯片內(nèi)的配置強(qiáng)大，包括64KB SRAM、512KB FLASH、多個(gè)串口和CAN資源，其112個(gè)通用IO口是本文選擇該芯片的關(guān)鍵，由于動(dòng)車集便系統(tǒng)的控制輸入和輸出點(diǎn)位較多，不但需要采集各個(gè)開關(guān)、傳感器等輸入信號(hào)，還要控制各個(gè)電磁閥等驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作，而STM32F103ZET6芯片充分滿足系統(tǒng)多輸入多輸出的需求。

2.2 輸入電路

系統(tǒng)為32路數(shù)字量DI輸入，采用TLP2804光耦芯片，通過(guò)光電隔離，消除外界輸入的干擾，一塊TLP2804光耦包括四路輸入和四路輸出，根據(jù)本系統(tǒng)需求，使用8塊該芯片，其中接入控制器的輸入信號(hào)包括凈水箱液位、污物箱液位、污物箱加熱狀態(tài)、沖洗按鈕、壓力開關(guān)、盆滿液位等。輸入傳感器均以0V為公共端，當(dāng)有液位或開關(guān)閉合，公共端的0V信號(hào)通過(guò)輸入電路的IO口經(jīng)過(guò)光耦隔離后，將信號(hào)傳送到MCU的DI端。輸入檢測(cè)電路。

2.3 輸出電路

系統(tǒng)為32路DO輸出，系統(tǒng)輸出采用NPN三極管驅(qū)動(dòng)HF46繼電器，為減少線圈斷電所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電壓的影響，在繼電器線圈處加入BAV70二極管用作續(xù)流。MCU處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DO口輸出，通過(guò)三極管的放大，驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)排泄電磁閥、沖洗電磁閥、加壓電磁閥、上水電磁閥、指示燈等元器件的工作和停止，同時(shí)從32路繼電器中取出八個(gè)干觸點(diǎn)，作為TCMS的開關(guān)量輸出信號(hào)。

2.4 其它電路

除上述控制MCU的選擇和輸入、輸出電路外，其它的變壓、濾波和通訊等電路均為常規(guī)的電路設(shè)計(jì)。串口選擇MAX3232芯片作為通訊，變壓芯片選用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117.在液晶屏的選擇上，具有至少640×480的分辨率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過(guò)Modbus通訊協(xié)議完成MCU與液晶屏驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)液晶屏實(shí)時(shí)顯示的效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控MCU的程序設(shè)計(jì)和液晶屏顯示的程序設(shè)計(jì)，且二者均通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)要明確系統(tǒng)的控制要求，本文的軟件設(shè)計(jì)針對(duì)的系統(tǒng)為推拉式集便系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.1 主程序

系統(tǒng)的程序主要完成集便系統(tǒng)的控制，當(dāng)系統(tǒng)外界條件滿足，即風(fēng)壓、水源充足時(shí)，系統(tǒng)上電后，控制器便執(zhí)行內(nèi)部程序。系統(tǒng)程序包括初始化程序、主程序和子程序部分，子程序包括自檢程序、狀態(tài)檢測(cè)程序、便器控制程序、灰水排空程序、故障自檢程序、防凍排空程序、液晶屏顯示程序等。系統(tǒng)上電后，通過(guò)自檢程序判斷系統(tǒng)各個(gè)部件是否正常，通過(guò)狀態(tài)檢測(cè)程序，檢測(cè)水箱是否有水，污物箱是否已滿，系統(tǒng)風(fēng)壓是否充足等來(lái)判斷系統(tǒng)外界條件狀況。在系統(tǒng)正常的情況下，系統(tǒng)可按照程序流程執(zhí)行。

3.2 故障自檢程序

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，程序時(shí)刻檢測(cè)系統(tǒng)的各部件功能是否正常，在執(zhí)行完各動(dòng)作后，程序會(huì)對(duì)執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中的各個(gè)部件進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)異常，則程序內(nèi)部認(rèn)為可能有故障出現(xiàn)，之后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行故障自檢程序，自檢程序執(zhí)行后若故障未消除，則停止系統(tǒng)工作。

3.3 故障顯示程序

液晶屏通過(guò)與MCU的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)液晶屏內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)的分析和處理后，再執(zhí)行液晶屏顯示程序，時(shí)刻顯示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及故障信息和故障發(fā)生的時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)掉電后，曾經(jīng)顯示過(guò)的故障記錄不會(huì)丟失，通過(guò)數(shù)據(jù)下載接口可將歷史信息進(jìn)行下載。通過(guò)對(duì)保存數(shù)據(jù)的處理和分析，可以識(shí)別系統(tǒng)的高頻率故障，針對(duì)高頻故障可以對(duì)其結(jié)果或者控制程序進(jìn)行改進(jìn)，逐步提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4 軟件仿真

由于篇幅所限，下面只針對(duì)沖洗循環(huán)流程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，當(dāng)系統(tǒng)存在真空信號(hào)時(shí)，按壓沖洗按鈕，首先沖水閥打開1 s后關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)高壓水對(duì)便器的沖洗，沖洗后排泄閥打開2 s后關(guān)閉，污物在真空作用下被排空，之后沖水閥再打開0.5 s后關(guān)閉，延時(shí)三秒鐘后，上水電磁閥打開，完成水罐上水，以備下一次沖洗循環(huán)使用。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 軟件仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)動(dòng)車集便系統(tǒng)檢測(cè)傳感器和驅(qū)動(dòng)電磁閥等元器件數(shù)量大的特點(diǎn)，選用STM32F103ZET6芯片作為系統(tǒng)控制器的MCU，闡述其功能的強(qiáng)大和資源的豐富。利用芯片的功能及外圍輸入、輸出電路，通過(guò)內(nèi)部程序的運(yùn)算和邏輯處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各信息的采集和功能部件的驅(qū)動(dòng)，在滿足動(dòng)車組集便系統(tǒng)的基本功能需求的前提下，故障自檢程序更加提高了系統(tǒng)的可靠性；液晶屏顯示功能更提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。