基于STM32F429的光纜全自動放線扎線機的研制

馬雙寶，賈樹林，胡江宇，游青華

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

0 引言

目前通信光纜常見的有兩種扎線方法：一種是人工滑輪作業(yè)，另一種是人工附掛器。第一種方法是人工滑輪作業(yè)，是指人坐在操作平臺上，利用升降裝置將人升到需要作業(yè)的高空位置處，當人工扎線完成后，利用滑輪前行到達下一個扎線點處再次進行人工扎線[1]。該方法存在以下缺點：（1）扎線工程量較大，需要耗費大量人力；（2）進行作業(yè)時需要上升到高空處，非常危險，存在安全隱患[2]；（3）每次扎線的程度由人工操作決定，沒有統(tǒng)一的標準；（4）從本次扎線點到達下一個扎線點需要人力依靠滑輪前行，效率較低[3]。

第二種方法是利用人工附掛器。人工附掛器是指利用長為8米左右的工具桿將附掛器托舉到高空光纜處，通過遙控按鈕進行控制從而實現(xiàn)對通信光纜進行扎線功能[4]，該方法存在以下缺點：（1）由于每次扎線都需要人力進行托舉，需要耗費大量人力；（2）附掛器重量較大，人力將其托舉到高空進行作業(yè)，效率較為低下[5]。

而通信光纜放線目前常見方法是人工放置[6]，該方法也存在如下缺點：（1）由于放線工程量較大，需要耗費大量人力；（2）進行作業(yè)時需要上升到高空處，非常危險，存在安全隱患；（3）效率較低。

隨著5G技術(shù)的不斷完善與大規(guī)模的使用，通信光纜的放線與扎線的工作量會劇增，而傳統(tǒng)的人工方法存在效率低、安全系數(shù)低等問題，針對這一問題，本文研制了一種基于STM32F429的光纜全自動放線扎線機，以實現(xiàn)通信光纜高效且全自動化放線與扎線功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

光纜全自動放線扎線機整體設計框圖如圖1所示，由STM32F429IGT6控制器、直流有感無刷電機驅(qū)動器AQMD3608BLS、步進電機驅(qū)動器TB6600、LM2596電源轉(zhuǎn)換、電機Z4BLd60-24GN、滑輪、紅外發(fā)射和接收電路、測距傳感器、扎線手臂、扎線手臂推桿和電源模塊等部分組成。其機械設計圖如圖2所示。

圖2所示中間為主動輪，提供整個裝置的驅(qū)動動力，左端為從動滑輪，實現(xiàn)放線與夾持功能，右端是由電機控制的能夠升降的扎線手臂，由紅外控制其扎線動作實現(xiàn)扎線功能。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖

圖2 機械設計圖

1.1 主動輪驅(qū)動電路設計

主動輪驅(qū)動電路為整個裝置提供動力，與主動輪所連接電機選用Z4BLd60-24GN電機，相應電機驅(qū)動器選用直流有感無刷電機驅(qū)動器AQMD3608BLS。該驅(qū)動器使用ARM Cortex-M3內(nèi)核處理器，具有以下優(yōu)點：

（1）支持占空比調(diào)速（調(diào)壓）、轉(zhuǎn)矩控制（穩(wěn)流）、速度閉環(huán)控制（穩(wěn)速）、位置閉環(huán)控制（角度、距離控制）多種調(diào)速方法[7]；

（2）支持PWM、頻率、邏輯開關(guān)、開關(guān)量、電位器、模擬信號、脈沖、RS485等多種輸入信號[8]；（3）支持加減速緩沖時間與加減速加速度控制，可在指定行程內(nèi)自動加減速并精確定位；

（4）可實現(xiàn)電機電流PID調(diào)節(jié)控制，電流控制精度可達0.1A，最大啟動電流、制動電流可以分別配置，可以實現(xiàn)同時支持電機過載限流和堵轉(zhuǎn)停機，防止過流損壞電機[9]；

（5）可以進行電機相序?qū)W習、霍爾錯誤保護；

（6）18kHz的 PWM頻率，電機調(diào)速無 PWM囂叫聲，極小的 PWM死區(qū)，僅 0.5us，PWM有效范圍0.1%-100%；

（7）全部接口均有ESD防護，可適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境[10]。

電機Z4BLd60-24GN為直流無刷減速電機，帶有霍爾傳感器，轉(zhuǎn)速可調(diào)，同時具有超大力矩，可承重50KG，可達到本次設計要求。

驅(qū)動器 AQMD3608BLS與電機 Z4BLd60-24GN的電路連接圖如圖 3所示。圖中 PA8、PH14、PH15為與控制器STM32F429管腳相連。

PA8為脈沖輸入端，此時為PWM信號調(diào)速模式，當PH14為高電平、PH15為高電平時，電機正轉(zhuǎn)；當PH14為低電平、PH15為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；當PH15為低電平時，電機緊急停止。通過改變PH14、PH15的電平高低，可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)以及停止運行。

圖3 AQMD3608BLS與電機Z4BLd60-24GN的電路連接圖

1.2 推桿驅(qū)動電路設計

推桿與扎線手臂相連，通過控制推桿的伸縮進而可以控制扎線手臂的上升與下降。推桿與扎線手臂連接，當需要扎線時，推桿推動扎線手臂上升，當扎線完成后，推桿推動扎線手臂下降。扎線手臂推桿驅(qū)動器選用步進電機驅(qū)動器TB6600，該驅(qū)動器具有以下特點：

（1）通過 3 位撥碼開關(guān)選擇 8 檔電流控制（0.5A， 1A， 1.5A， 2A， 2.5A， 3A， 3.5A），實現(xiàn)用戶的自主選擇[11]；

（2）接口處采用高速光耦隔離，有效的實現(xiàn)了控制器與扎線手臂推桿的隔離，保護了控制器；

（3）通過 3 位撥碼開關(guān)選擇 7 檔細分控制（1， 2/A， 2/B， 4， 8， 16， 32），可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制[12]；

（4）自動半流減少發(fā)熱量，大面積散熱片不懼高溫環(huán)境使用；

（5）抗高頻干擾能力強[13]；

（6）具有輸入電壓防反接保護，可實現(xiàn)過熱、過流短路保護。

步進電機驅(qū)動器 TB6600與推桿電路連接圖如圖 4所示。圖中 PC6、PC7、PC8、PC9為與控制器STM32F429管腳相連。

圖4 TB6600與推桿電路連接圖

圖5 LM2596電壓轉(zhuǎn)換電路

PC6為PWM脈沖輸入端，PC9為控制推桿伸縮端口，當PC9為高電平時，推桿向上伸；當PC9為低電平時，推桿向下縮。PC8、PC7分別為推桿的上、下限位檢測端口，當PC8為低電平時，推桿到達上限位，PC6端口停止輸出PWM波，此時推桿將停止上升；當PC7為低電平時，推桿到達下限位，PC6端口停止輸出PWM波，此時推桿將停止下降。通過對上、下限位電平高低的檢測，實現(xiàn)對推桿的實時控制，防止推桿出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，損壞推桿。

1.3 LM2596電源電路

該系統(tǒng)總體供電為12V電池組24V電壓，但控制器與紅外發(fā)射和接收電路的供電電壓為5V，所以需要電壓轉(zhuǎn)換電路將24V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓。LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性[14]。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，它的輸出電壓大小可根據(jù)反饋電阻R1的大小進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)R1電阻值的大小，使輸出電壓為5V。

1.4 紅外發(fā)射與接收電路

紅外發(fā)射和接收電路可實現(xiàn)控制器和扎線手臂之間的通信，當需要進行附掛扎線時，控制器發(fā)出相應指令來控制紅外發(fā)射電路發(fā)出信號，扎線手臂內(nèi)部的紅外接收電路接收到信號后，扎線手臂推桿推動扎線手臂上升進行附掛扎線。紅外發(fā)射電路選用芯片SYN113，紅外接收電路選用芯片SY480R。紅外發(fā)射電路如圖6所示，紅外接收電路如圖7所示。圖中PH13、PE6為與控制器STM32F429管腳相連。

圖6 紅外發(fā)射電路

圖7 紅外接收電路

2 系統(tǒng)軟件設計

光纜全自動放線扎線機可工作前進模式、扎線模式以及后退模式，其中前進模式與后退模式實現(xiàn)工作過程中換扎線的功能，在這兩種模式中只實現(xiàn)前進與后退操作不進行扎線。其軟件流程圖如圖8所示，按鍵電路圖如圖9所示。

圖8 軟件流程圖

控制器STM32F429管腳PE3，PE4，PE5分別與按鍵S2，S3，S4連接。在默認情況下（相應按鍵未被按下之前），PE3，PE4，PE5管腳電壓為高電平。當裝置打開開關(guān)按鈕后，控制器執(zhí)行程序進行初始化，接下來程序?qū)⑦M行循環(huán)檢測裝置處于哪種模式，通過按鍵可以選擇裝置處于不同的模式：

2.1 前進模式

當按下S2時，PE3管腳電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生下降沿脈沖，此時為前進模式，不執(zhí)行扎線功能，控制器輸出一定占空比的 PWM波驅(qū)動行走電機并控制行走電機正轉(zhuǎn)，裝置將以0.2m/s的速度前進。

圖9 按鍵電路圖

2.2 后退模式

當按下 S3時，PE4管腳電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生下降沿脈沖，此時為后退模式，不執(zhí)行扎線功能，控制器輸出一定占空比的PWM波驅(qū)動行走電機并控制行走電機反轉(zhuǎn)，裝置將以0.2m/s的速度后退。

2.3 扎線模式

當按下 S4時，PE5管腳電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生下降沿脈沖，此時為扎線模式，程序接下來判斷裝置是否前行了50cm，若前行距離未達到50cm，則繼續(xù)前行；若已經(jīng)達到50cm，則行走電機以0.01m/s的速度前行，推桿開始上升，接下來判斷推桿是否到達上限位，若沒有到達上限位，則推桿繼續(xù)上升；若已經(jīng)達到上限位，則推桿停止工作，扎線手臂開始扎線，接下來判斷扎線是否完成，若沒有完成扎線，扎線手臂繼續(xù)扎線；若已經(jīng)完成扎線，則推桿下降，行走電機以 0.2m/s的速度繼續(xù)前行，從開始以 0.2m/s速度前行時刻為起點，繼續(xù)判斷裝置是否前行了50cm，接下來重復上述工作過程。

3 測試方法與測試結(jié)果分析

3.1 測試方法

扎線測試：利用升降裝置將該系統(tǒng)上升到通信光纜處進行固定（固定是指將裝置的兩個滑輪放置在光纜線上），將所要放置的光纜線收縮于與從動輪連接的機械掛鉤內(nèi)，按下機箱上開關(guān)按鈕，整體系統(tǒng)開始工作，按下按鍵S4，此時為扎線模式。行走電機開始前行，主動輪為整個裝置提供動力，從動輪將通信光纜收縮在一起，便于扎線手臂進行附掛扎線，等到電機行走了50cm后，行走電機將以0.01m/s的速度前行，同時推桿開始工作，推動扎線手臂上升，等到推桿到達上限位，則推桿停止上升，控制器發(fā)送相應指令使扎線手臂開始工作，進行光纜扎線，等待扎線完成后，推桿開始下降，下降到推桿下限位時，推桿停止工作，之后行走電機開始恢復正常工作狀態(tài)，以0.2m/s的速度繼續(xù)向前行進，等到達下一個50cm處時，重復上述工作流程。

放線測試：將所要放置的光纜線在一端固定，利用升降裝置將該系統(tǒng)上升到通信光纜處進行固定，將所要放置的光纜線收縮于與從動輪連接的機械掛鉤內(nèi)，按下機箱上開關(guān)按鈕，整體系統(tǒng)開始工作，按下按鍵S2，此時為前進模式，行走電機開始前行，主動輪為整個裝置提供動力，從動輪將通信光纜收縮在一起，當前進到距離光纜需要固定的另一端為50cm左右時，按下按鍵S4，此時轉(zhuǎn)換為扎線模式，進行扎線操作，從而可以實現(xiàn)光纜放線的功能。

3.2 測試結(jié)果分析

表1 扎線距離測試（單位CM）

如表1所示，將扎線距離設置為50cm，經(jīng)過3次測試，裝置前行實測距離均為50cm，實際扎線距離分別為49.8cm、50.2cm、50.1cm，經(jīng)過測試，該裝置的扎線距離相對誤差小于0.5%。

表2 扎線成功率測試

如表2所示，當扎線測試次數(shù)分別為20、40、60時，扎線成功次數(shù)分別為20、39、59，扎線的成功率分別為100%、97.5%、98.34%。經(jīng)過測試，隨著扎線測試次數(shù)的增加，扎線的成功率會有所降低，但扎線的成功率均達到95%以上。

4 總結(jié)

本文設計了一種基于STM32F429控制器的光纜全自動放線扎線機，通過電機與滑輪的組合可實現(xiàn)扎線機在通信光纜上勻速前進，每隔50cm扎線手臂自動扎線一次，扎線自動完成后，繼續(xù)前行進行工作。整個過程實現(xiàn)全自動化，可以有效的解決傳統(tǒng)通信光纜人工放線扎線中存在的安全隱患、操作困難、耗費大以及效率較低等問題。經(jīng)過實測該扎線機功能齊全，穩(wěn)定可靠，扎線距離相對誤差小于0.5%，扎線成功率達到95%以上。