STM32無線電子手輪設(shè)計(jì)

臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 蔣開偉

電子手輪又稱為“手搖脈沖發(fā)生器”，在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用十分廣泛，如刀具微調(diào)、對(duì)刀等。傳統(tǒng)的有線電子手輪雖然具有較好的穩(wěn)定性，但受制于有線操作使用不便，且接線處容易損壞。而目前市場(chǎng)上的無線電子手輪價(jià)格普遍較高，性價(jià)比較低；功耗相對(duì)依然較高，導(dǎo)致電池耐用性不夠；此外在機(jī)加工嘈雜的現(xiàn)場(chǎng)，無線通信穩(wěn)定性也較差，極易受其他信號(hào)干擾。本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較高且超低功耗的控制器芯片，以及穩(wěn)定性較好的無線通信芯片，克服當(dāng)前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品的不足之處，進(jìn)一步提升該類產(chǎn)品的性能。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由手持式的無線手輪發(fā)送終端和無線接收終端組成，采用433M的無線通信方式實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的交互。手輪發(fā)送終端的微控制器將手搖輪產(chǎn)生的差分脈沖信號(hào)和按鈕控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令，通過無線模塊發(fā)送至無線接收終端；接收終端在接收信號(hào)后，通過微控制器將指令還原成相應(yīng)的差分脈沖信號(hào)和控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手搖脈沖發(fā)生器的無線控制功能。

手輪要求具有六種軸選信號(hào)、三種倍率信號(hào)輸出功能，編碼器刻度為100PPR，脈沖信號(hào)為5V；手持端工作電壓為2.2～3.3V，平均工作電流小于10mA。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

手持終端的控制器基于功耗和成本的考慮采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32L051單片機(jī)，該系列單片機(jī)以超低功耗見長(zhǎng)，供電電壓低且范圍寬（1.64V至3.6V），具有停止（stop）、待機(jī)（standby）等多種低功耗模式，耗電電流在待機(jī)模式下可以低至0.27uA。除此之外，豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的功能完全滿足設(shè)計(jì)要求。接收終端的主控芯片則采用該公司的STM32F103系列芯片。同樣具備豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的運(yùn)算性能。此外，控制器與無線模塊之間需要使用SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊，因此，具備SPI接口是控制器選用的另一個(gè)重要考量因素。

2.2 無線通信電路

無線通信電路設(shè)計(jì)基于億佰特公司的型號(hào)為E10-433MS模塊，該模塊以美國(guó)芯科Si4463芯片為核心，具有體積小、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。理想條件下，通信距離可達(dá)2km；發(fā)射功率軟件多級(jí)可調(diào)，最大發(fā)射功率100mW；支持全球免許可ISM433MHz頻段；支持1.2K至1000Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；支持多種調(diào)制模式，以及2.5V至3.6V的寬供電電壓。如圖1所示。

SI4463芯片與控制器之間的通訊通過SPI接口完成，其中控制器設(shè)置為主模式，無線模塊設(shè)置成從模式。接口MISO用于數(shù)據(jù)輸入至控制器，而MOSI接口則用于數(shù)據(jù)傳輸至無線模塊，上述數(shù)據(jù)傳輸涉及到的時(shí)鐘信號(hào)則由SCK接口完成。接口nIRQ用于指示控制器已接收到無線信號(hào)或信號(hào)發(fā)送完畢，GPIO0和GPIO1為配置接口。此外，控制器還需要控制無線模塊中的其他接口（如SDN和nSEL），用于實(shí)現(xiàn)低功耗目的。

值得一提的是，無線信號(hào)發(fā)送時(shí)需要相對(duì)較大的電流，會(huì)引起較大的電源電壓波動(dòng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)在無線模塊電源處加上磁珠。

2.3 差分信號(hào)采集電路

差分信號(hào)采集電路由兩路光電轉(zhuǎn)換電路組成，輸出的信號(hào)稱之為A相和B相，存在一定的相位差。具體而言，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪能夠使得光電編碼器在A相和B相上產(chǎn)生差分脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刻度產(chǎn)生一個(gè)脈沖。不僅如此，通過A相和B相的相位差可以判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)A相超前90°是表示正轉(zhuǎn)；反之，B相超前表示反轉(zhuǎn)。

為了降低功耗，額外引入一個(gè)端口用于控制光電轉(zhuǎn)換電源，當(dāng)該端口為高電平時(shí)，光電編碼器能正常工作，否則處在節(jié)能狀態(tài)。

2.4 脈沖信號(hào)發(fā)生電路

當(dāng)無線接收終端接收端差分信號(hào)指令后，需要將其還原成差分的脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)發(fā)生電路的輸入端有兩路，分別對(duì)應(yīng)A相和B相；輸出端有四路，為A+、A-和B+、B-。輸入端通過光耦器件將3.3V轉(zhuǎn)換為5V，輸入至四通道差分線路驅(qū)動(dòng)器DS26C31芯片，產(chǎn)生四路輸出信號(hào)。相應(yīng)的相位差取決于輸入端。產(chǎn)生的脈沖信號(hào)可以直接接至數(shù)控機(jī)床信號(hào)端，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

圖1 無線通信電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線手輪發(fā)送終端

無線手輪發(fā)送終端的軟件設(shè)計(jì)除了實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)和按鍵信號(hào)的檢測(cè)和發(fā)送功能外，還嚴(yán)格考慮了功耗問題。

具體處理流程如下：

（1）初始化：上電復(fù)位后，完成對(duì)無線通信模塊的初始化并進(jìn)入待機(jī)模式。

（2）按鈕檢測(cè)與響應(yīng)：系統(tǒng)每隔20ms退出待機(jī)模式并檢測(cè)按鍵是否有動(dòng)作，如果有則將相應(yīng)的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成指令；如無，則再次進(jìn)入待機(jī)模式。

（3）手輪檢測(cè)與響應(yīng)：手輪檢測(cè)通過外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和累計(jì)。具體而言，當(dāng)A相轉(zhuǎn)過一個(gè)刻度時(shí)會(huì)產(chǎn)生低電平并引發(fā)中斷，終端服務(wù)程序累計(jì)脈沖數(shù)的同時(shí)還去判斷B相的電平；若B相位同樣處在低電平，認(rèn)為B相超前，即反轉(zhuǎn)，否則認(rèn)為A相超前，即正轉(zhuǎn)。

（4）按鈕信號(hào)發(fā)送和確認(rèn)：當(dāng)按鍵完成檢測(cè)和響應(yīng)后，控制器通過SPI向無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待最長(zhǎng)為0.5s的確認(rèn)信息，若確認(rèn)失敗會(huì)重發(fā)，重發(fā)最多三次。

（5）手輪信號(hào)發(fā)送：為防止手輪脈沖信號(hào)發(fā)送時(shí)出現(xiàn)擁塞，系統(tǒng)每隔200ms發(fā)送一次在此期間累計(jì)的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)。從體驗(yàn)上考慮，手輪信號(hào)的發(fā)送不做任何確認(rèn)，允許部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。

3.2 無線接收終端

接收終端由數(shù)控機(jī)床供電，因此沒有功耗要求，在完成系統(tǒng)初始化后就不斷查詢無線模塊是否有接收到信號(hào)。若有，響應(yīng)相應(yīng)的指令并處理。

（1）接收和響應(yīng)：在接收來自手輪發(fā)送的信息并完成校驗(yàn)后，首先判斷指令類型；如果該指令需要確認(rèn)，則立刻將給信息重發(fā)送回去作為確認(rèn)信號(hào)。隨后將指令轉(zhuǎn)換成控制信息，以便步驟（2）或（3）處理。

（2）按鍵信號(hào)處理：按鍵信號(hào)包括6種軸選信號(hào)、3種倍選信號(hào)以及緊急按鈕信號(hào)，接收到后只需控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作即可。

（3）脈沖發(fā)生：根據(jù)接收到脈沖個(gè)數(shù)和方向，通過定時(shí)器產(chǎn)生波形，脈沖的周期為10ms，占空比為50%。

4 頻點(diǎn)和ID配置

發(fā)送終端和接收終端完成正確的通信需要配置在相同的頻點(diǎn)上，為了讓不同設(shè)備共用相同頻點(diǎn)，我們?yōu)椴煌脑O(shè)備配置了不同的ID以作區(qū)別。嚴(yán)格來說設(shè)備只有在相同的頻點(diǎn)和ID的才能通信。

上述的配置可以通過修改軟件完成，但考慮到批量生產(chǎn)上的便利性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過串口配置上述參數(shù)的功能。通過串口通訊上位機(jī)軟件，既可以讀取當(dāng)前的配置參數(shù)也可以實(shí)現(xiàn)修改該參數(shù)，為生產(chǎn)和用戶操作帶來極大的方便。

結(jié)束語(yǔ)：本文提出了一種基于Si4463的無線電子手輪設(shè)計(jì)，有效解決當(dāng)前無線電子手輪存在的低功耗和穩(wěn)定性問題；選用的STM32單片機(jī)進(jìn)一步解決性價(jià)比問題，而上位機(jī)配置頻點(diǎn)和ID的設(shè)計(jì)極大地方便產(chǎn)品的生產(chǎn)和用戶的使用。