基于STM32的Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控器設(shè)計(jì)

陶 沙楊 路向 前

（1.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.安徽公安職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230031）

一、引言

實(shí)驗(yàn)是高等教育的必要環(huán)節(jié)，是提升學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的有效手段之一[1]。Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室是銅陵學(xué)院與羅克韋爾公司共建，該實(shí)驗(yàn)室投資巨大，但卻沒有配套相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)情況，本文基于嵌入式技術(shù)[2-5]，以STM32F103VET6為核心，引入模擬隔離和無線網(wǎng)絡(luò)[6-8]等設(shè)計(jì)Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控器。監(jiān)控器方便管理人員隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境情況，為后續(xù)多終端實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，降低了維護(hù)成本，在實(shí)驗(yàn)室管理和經(jīng)濟(jì)等方面都具有重要意義。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包括20套HOTS設(shè)備，每套設(shè)備包括：工控機(jī)、PLC、變頻器等?；诠I(yè)4.0理念，整合了工業(yè)自動(dòng)化中的順序控制、過程控制、傳動(dòng)控制等控制需求。針對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控的需求，融合嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計(jì)Rockwell-HOTS監(jiān)控器。主要硬件資源包括：(1)環(huán)境信息采樣電路；（2）模擬量隔離電路；（3）供電電路；（4）無線網(wǎng)絡(luò)電路；（5）攝像頭電路；（6）液晶顯示電路等。監(jiān)控器由信息處理模塊和供電模塊組成：信息處理模塊是硬件的核心單元，包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、模擬隔離電路、微處理器及周邊電路、液晶顯示電路和無線網(wǎng)卡電路等。考慮到可能存在的各種干擾的影響，傳感器電路將溫濕度等非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理與模擬隔離，提高了信號(hào)的精度與可靠性，再傳輸給AD進(jìn)行采樣。無線網(wǎng)卡電路在核心處理器STM32F103VET6的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)墓ぷ?，液晶顯示面板可以就地顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)境信息。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）供電電路

供電電路的設(shè)計(jì)綜合了如下因素：（1）實(shí)驗(yàn)室提供了220V交流輸入，可以采用降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓的基本原理實(shí)現(xiàn)；（2）硬件電路引入了模擬隔離，需要提供兩路隔離的供電；（3）78系列穩(wěn)壓器發(fā)熱量巨大。綜合上述條件，引入DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)供電功能，提供兩路電源輸出，電路圖如圖1所示。采用LTC3111輸出15V電壓，COMP引腳與FB引腳之間連接的RC網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償回路。輸出電壓根據(jù)如下公式求得其中R1是 VOUT端和 FB端之間的電阻，R2是 FB端和GND端之間的電阻，調(diào)節(jié)R1與R2的阻值即可控制輸出。RUN引腳是使能端，當(dāng)輸入電壓高于1.2V時(shí)LTC3111工作，當(dāng)輸入電壓低于1.08V時(shí)芯片停止工作，這里可以直接連接到輸入引腳VIN。輸入引腳VIN需要接至少10uF的低ESR、ESL的陶瓷電容，輸出引腳接22uF的低ESR陶瓷電容。PWM/SYNC引腳是模式選擇和同步輸入引腳，當(dāng)輸入電壓低于0.5V時(shí)芯片處于burst mode工作模式；當(dāng)輸入電壓高于1.5V時(shí)芯片處于800KHZ固定頻率模式。如果想自行設(shè)定頻率，可以輸入在600KHZ到1.5MHZ之間的數(shù)字脈沖信號(hào)，此時(shí)內(nèi)部晶振會(huì)被覆蓋。采用LTC3261輸出-15V電壓，LTC3261具備兩種模式：frequency mode和 burst mode，在 burst mode下，輸出電壓 VOUT=-0.94×VIN；在 frequency mode 下，輸出電壓VOUT=-VIN。這里選擇frequency mode，MODE引腳接低電平。采用LTC3103輸出3.3V電壓，LTC3103具備forced continuous mode與burst mode，MODE引腳接高電平采用burst mode，低電平采用forced continuous mode，這里選擇burst mode。電感值會(huì)影響輸出電壓紋波和轉(zhuǎn)換效率。電感值越大，電流紋波越小，相應(yīng)輸出電壓紋波也會(huì)降低。但是，較大的電感值意味著需要較大的串聯(lián)電阻，從而抵消了效率上的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，輸出3.3V時(shí)電感最小值為8.3uH。除電感外，輸出電容也會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生影響，電容值太小，環(huán)路交叉頻率將增加到開關(guān)延遲和誤差放大器的高頻寄生極會(huì)降低相位裕度的程度，此外，小輸出電容產(chǎn)生的更寬的帶寬將使環(huán)路更容易受到開關(guān)噪聲的影響；電容值太大，交叉頻率會(huì)降低到補(bǔ)償零點(diǎn)以下，導(dǎo)致相位裕度降低。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，電容取值應(yīng)在4.7-47uF范圍內(nèi)。輸出電壓根據(jù)如下公式計(jì)算：

CFF是前饋電容，通過增加零極點(diǎn)對(duì)改變環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性，最終提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度和相位裕度，在負(fù)載瞬態(tài)變化時(shí)獲得較小的電壓偏差。

圖1 供電電路

（二）模擬隔離電路

相對(duì)于監(jiān)控器，Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室環(huán)境采樣信號(hào)是外界信號(hào)，為了防止干擾信號(hào)混雜在采樣信號(hào)中進(jìn)入監(jiān)控器內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)，采用隔離提高硬件系統(tǒng)的抗干擾性。常見的如光電耦合器件HCN201等斷開輸入地與輸出地，切斷干擾回路，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的抑制[7-8]。HCN201線性度0.01%，且需要較多的外圍電路器件，不適合模擬信號(hào)的直接耦合。AD215是一款用于實(shí)現(xiàn)隔離和放大帶寬模擬信號(hào)的隔離放大器，在具有寬帶動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)保留直流特性，線性度在±0.005%，外圍電路簡(jiǎn)單。電路如圖2所示所示，輸入輸出關(guān)系可以根據(jù)如下公式計(jì)算：IF'=（1+其中 Rf是反饋電阻，Rg是增益電阻，IF'是采樣輸入信號(hào)，IF’是經(jīng)過模擬隔離的采樣輸出信號(hào)。調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻的取值即可調(diào)整輸入輸出的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的隔離，提高系統(tǒng)可靠性。Rin是限流電阻，當(dāng)AD215沒有工作時(shí)，可以把輸入電流限制在5mA。Rf和Rg的阻值選擇需要滿足以下條件：（1）增益網(wǎng)絡(luò)的總阻抗值應(yīng)小于10κΩ；（2）±10V時(shí)電阻Rf中的電流牽引應(yīng)小于1mA；（3）電路的放大增益由Rf和Rg共同決定。AD215輸入電壓推薦范圍在±14.5V到±16.5V之間。低于這個(gè)范圍可能導(dǎo)致芯片停止工作，高于±17.5V可能會(huì)破壞內(nèi)部組件。

圖2 模擬隔離電路

（三）Wi-Fi電路與數(shù)據(jù)傳輸

ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行?；贓SP8266設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)電路承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用時(shí)，可以通過AHB橋接口或者SPI/SDIO接口與微處理器連接，電路圖如圖3所示。ESP8266有三種省電模式：modem sleep，light sleep和deep sleep。modem sleep模式用于PWM 或I2S應(yīng)用等CPU一直處于工作狀態(tài)的情景，在保持Wi-Fi連接時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，可根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)關(guān)閉Wi-Fi Modem電路來省電。比如在DTIM3時(shí)，每sleep 300mS，醒來3mS接收AP的Beacon包等，功耗電流約15mA；light sleep模式用于Wi-Fi開關(guān)等CPU可暫停的應(yīng)用，在保持Wi-Fi連接時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)傳輸可根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)（如U-APSD）關(guān)閉Wi-Fi Modem電路并暫停CPU來省電，功耗電流約0.9mA；deep sleep模式下不需一直保持Wi-Fi連接，很長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)送一次數(shù)據(jù)包的應(yīng)用，如每100秒測(cè)量一次溫度的傳感器：每300S醒來后需0.3-1s連上AP發(fā)送數(shù)據(jù)，功耗電流可遠(yuǎn)小于1mA。

圖3 ESP8266電路圖

基于LabVIEW編寫上位機(jī)程序，利用LabVIEW提供的TCP vis建立TCP通信，主要包括打開vi、偵聽vi、寫入vi、讀取vi和關(guān)閉vi等。監(jiān)控器上的攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)傳輸過程如下：首先轉(zhuǎn)換成字符串類型，然后傳送字符串?dāng)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度和內(nèi)容。上位機(jī)程序接收視頻數(shù)據(jù)時(shí)先接收4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，代表的是視頻字符串?dāng)?shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后是字符串內(nèi)容。這里要用到LabVIEW-Vision的NI-IMAQdx提供的vis實(shí)現(xiàn)功能，其中IMAQdx open camera.vi打開攝像頭，IMAQdx configure grab.vi 配置 vi，IMAQdx grab.vi采集數(shù)據(jù)，IMAQdx create.vi采集數(shù)據(jù)輸入，IMAQdx close camera.vi關(guān)閉攝像頭。監(jiān)控器與上位機(jī)程序之間通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，接收的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)的拆分運(yùn)算顯示在上位機(jī)程序界面，如果是視頻數(shù)據(jù)，用unflatten from string.vi還原后傳輸至顯示窗口；如果是溫濕度等信息則通過字符串的截取和數(shù)值轉(zhuǎn)換vis進(jìn)行顯示，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值判定是否亮起警示燈。

（四）液晶顯示電路

為了便于管理人員就地了解實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了液晶顯示電路，管理人員可通過觸摸方式操作。因?yàn)镾TM32內(nèi)部沒有集成專用的液晶屏和觸摸屏的控制接口，在選擇顯示面板時(shí)應(yīng)自帶含有這些驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路，STM32通過驅(qū)動(dòng)芯片控制液晶屏和觸摸屏。本文選擇野火3.2寸液晶屏，使用ILI9341控制液晶屏、XPT2046控制觸摸屏，電路圖如圖4-5所示。液晶控制器與MCU通信一般采用8080或6800接口，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中SPI接口也可以。ILI9341通過8080時(shí)序與MCU的IO口進(jìn)行通信，但效率較低，我們采用FSMC模擬8080時(shí)序。FSMC是靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，使用它的NOR/PSRAM模式控制LCD，根據(jù)STM32對(duì)尋址空間的地址映射，地址0x60000000-0x6FFFFFFF分配給NOR FLASH類的可尋址器件。FSMC寫NOR時(shí)序與8080接口時(shí)序十分相似，區(qū)別僅在FSMC的地址信號(hào)A[25:0]和8080的數(shù)據(jù)/命令選擇信號(hào)D/CX上。在設(shè)計(jì)時(shí)把FSMC的A0地址線連接8080的D/CX，當(dāng)A0=1，D[15:0]的信號(hào)被理解為數(shù)值；當(dāng)A0=0，D[15:0]的信號(hào)被理解為命令。

圖4 XPT2046電路

圖5 ILI9341電路

為了提供給用戶可交互的系統(tǒng)，觸摸屏通常與液晶屏配套使用，組合成一個(gè)可交互的輸入輸出系統(tǒng)，這里采用電阻屏，這里芯片選擇XPT2046。STM32F103VET6通過 SPI接口與XPT2046通信，XPT2046的X+、X-、Y+和Y-四個(gè)引腳與兩層阻性材料的兩端相連。當(dāng)測(cè)量X坐標(biāo)時(shí)，STM32F103VET6通過SPI接口向XPT2046寫命令，通過XPT2046的內(nèi)部模擬開關(guān)使X+X-通電，在屏幕的X方向產(chǎn)生一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，將Y+Y-連接到XPT2046的AD，當(dāng)觸摸屏幕時(shí)，上下兩層的阻性材料接觸，在PENIRQ引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，觸點(diǎn)的電壓通過Y+Y-傳輸給AD采樣測(cè)量，STM32F103VET6讀取電壓計(jì)算觸點(diǎn)的X方向坐標(biāo)，同理測(cè)得Y方向坐標(biāo)。

（五）攝像頭電路

選擇OV7670攝像頭設(shè)備，其采用的FIFO是容量為384KB的AL422B，我們的監(jiān)控分辨率在240*320，用RGB565表示每個(gè)像素點(diǎn)，那么每個(gè)像素占用2B，每一幅圖像占用240*320*2B=153600B，而AL422空間是384KB，滿足監(jiān)控需求。電路圖如圖6-7所示，基本原理如下：WEN與HREF輸入信號(hào)傳輸給與非門，輸出端口連接到AL422B的WE端口，當(dāng)WEN=1，HREF=1時(shí)，輸出Y=0，WE端口輸入0，此時(shí)允許圖像數(shù)據(jù)傳入FIFO。設(shè)計(jì)時(shí)可以把WEN端置高電平1，來自攝像頭端的HREF輸入高電平1，WE端輸入低電平0，伴隨著PCLK的運(yùn)轉(zhuǎn)，攝像頭的像素?cái)?shù)據(jù)會(huì)被送入FIFO，當(dāng)HREF輸入低電平0時(shí)，WE端輸入高電平1，此時(shí)無法寫入數(shù)據(jù)。即使PCLK仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，也不會(huì)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO，從而防止采集到無效數(shù)據(jù)。

圖6 OV7670電路圖

圖7 AL422B電路圖

四、結(jié)語

基于LabVIEW的監(jiān)控顯示終端如圖8所示，報(bào)警指示包括煙霧、CO2、火焰等，正常情況顯示白色，超過界限值顯示紅色。針對(duì)銅陵學(xué)院Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)室缺乏監(jiān)控設(shè)備的不足之處，基于嵌入式技術(shù)，以STM32F103VET6為核心，輔以模擬隔離、無線網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏與液晶顯示、攝像頭等設(shè)備設(shè)計(jì)了監(jiān)控器，從硬件構(gòu)成進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的測(cè)試表明監(jiān)控器抗干擾性較好，能按照要求實(shí)時(shí)監(jiān)控，性能穩(wěn)定，滿足控制需求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖8 上位機(jī)程序顯示