基于STM32的半導體激光器控制系統(tǒng)設計

但堂詠　張國慶　張紅亮

摘要：基于STM32與eView觸摸屏，設計了一款新型半導體激光器控制系統(tǒng)，并成功應用于基于半導體激光器的激光熔覆與淬火自動化設備之中，通過試用，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。詳細闡述了該控制系統(tǒng)的硬件電路與軟件系統(tǒng)的設計思路與總體方案，該控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，基于Modbus通信協(xié)議，通過RS232串口連接，具有良好的可靠性及一定的防呆性，交互性強，具有自動報警與自診斷功能，控制響應速度快、控制精度高、較易擴展控制功能，能滿足整機系統(tǒng)集成的要求，可推廣應用于工業(yè)過程控制和智能自動化控制領域。

關鍵詞：STM32;人機交互;Modbus協(xié)議;半導體激光器;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TN248.4 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0155—03

0引言

近年來，隨著激光技術的飛速發(fā)展與日漸成熟，其在許多領域得到了廣泛應用。相較于CO、YAG等傳統(tǒng)激光器，半導體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、能耗小和壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于材料加工與制造、無線激光通信、醫(yī)療與測量等領域中。

現(xiàn)階段，激光器的控制系統(tǒng)可謂種類繁多，既有傳統(tǒng)的開關控制，也有比較人性化的超級終端控制，還有一些PLC及單片機控制等，這些控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。傳統(tǒng)開關控制較易出錯，系統(tǒng)可靠性較差，交互性也不足;超級終端與PLC控制成本較高，靈活性不足，不易實現(xiàn)整機系統(tǒng)集成;較多的單片機控制還沒有正真應用，多處于仿真與實驗階段等。針對當前半導體控制系統(tǒng)的種種不足，本文基于STM32與eView觸摸屏，實現(xiàn)了對半導體激光器控制系統(tǒng)的設計與應用，較好地解決了這些問題，成功應用于工程實踐之中。

1激光器控制系統(tǒng)總體方案

1.1半導體激光器控制系統(tǒng)基本要求

半導體激光器控制系統(tǒng)基本要求如下。

（1）控制系統(tǒng)的工作界面友好、簡單，普通工作人員都可以操作。

（2）具有防呆性，防止誤操作。

（3）控制性能可靠、穩(wěn)定，抗干擾能力強，控制精度高，控制響應速度快。

（4）能滿足系統(tǒng)集成的需求，實現(xiàn)激光器在整體應用中的集成和控制。

（5）能實時顯示通信狀態(tài)，具有自動報警與自診斷功能。

1.2核心控制器選擇

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為核心控制器，其基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用特點，內(nèi)核最高工作頻率可達72 MHz，內(nèi)部資源包括64 kh SRAM、512 kb FLASH、8個定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個IC、5個串口、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用10口，LQFP144封裝等。

1.3系統(tǒng)總體方案確定

基于半導體激光器在激光熔覆與激光淬火行業(yè)中的應用，本文設計了集成半導體激光器控制系統(tǒng)的激光熔覆與激光淬火自動化設備并成功投入實際應用，經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，其總體控制方案如圖1所示。該自動化設備工作時，觸摸屏為系統(tǒng)提供正常工作所需的加工工藝及參數(shù)，同時實時監(jiān)測并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)運行發(fā)生故障時則產(chǎn)生報警。操作控制器則根據(jù)觸摸屏提供的工藝參數(shù)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)半導體激光器、冷水機組、機器人控制系統(tǒng)及送粉器，按照其各自設定的參數(shù)協(xié)調(diào)工作。

2激光器控制系統(tǒng)具體設計

2.1系統(tǒng)硬件電路

硬件電路如圖2所示，主要包括以STM32F103ZET6為核心的操作控制器、步科MT4300C觸摸屏、半導體激光發(fā)生器控制系統(tǒng)、冷水機組控制系統(tǒng)、送粉器控制系統(tǒng)以及以SP3232為核心的TTL電平與RS232電平雙向轉換電路。半導體激光發(fā)生器與MT4300C分別通過RS232串口與微控制器（STM32F103ZET6）的串口1、2相連，機器人控制系統(tǒng)、冷水機組控制系統(tǒng)、送粉器控制系統(tǒng)的啟、停分別由3個繼電器控制，繼電器則由STM32F103ZET6的3個I/O口分別控制。

2.2系統(tǒng)軟件

2.2.1 Modbus通信協(xié)議選擇

作為人機界面（HMI）與單片機控制系統(tǒng)（MCU）之間實現(xiàn)主從通信模式的主要選擇之一，Modbus協(xié)議得到了廣泛的應用，MT4300C支持Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議支持ASCII和RTU 2種傳輸方式。相對于ASCII模式，RTU模式具有更高的通信效率。在RTU模式下，當將HMI作為主設備，MCU作為從設備時，適合應用于1個主機與多個從機通信，采用Modbus RTU協(xié)議通信;當將MCU作為主設備，HMI作為從設備時，適合應用于1個主機與1個從機通信，采用Modbus RTU Slave協(xié)議通信。當采用Modbus RTU Slave協(xié)議時，MCU作為主設備，可以主動發(fā)起通信，相較采用Modbus RTU協(xié)議，CPU占用率低，極大地節(jié)約了硬件資源。同時在MCU中，不需編寫復雜的中斷服務函數(shù)，只需編寫簡單的通信讀，寫程序即可，實現(xiàn)起來更容易，本文采用Modbus RTUSlave協(xié)議進行通信。表1所示為常用Modbus支持的部分功能碼，也是本控制軟件系統(tǒng)中用到的功能碼，表2—3所示為Modbus RTU Slave協(xié)議的消息幀格式。

2.2.2軟件設計

軟件設計包含主控系統(tǒng)（主站）程序設計、人機界面（從站）程序設計。

（1）主控系統(tǒng)程序

基于STM32庫函數(shù)，利用STM32常用的開發(fā)工具Keil MDK進行主控系統(tǒng)設計。主控系統(tǒng)服務程序由各功能模塊組成，主要包括串口初始化模塊、數(shù)據(jù)幀的構造模塊、數(shù)據(jù)幀發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)幀接收模塊、CRC校驗模塊、應答幀解析等功能模塊。主控系統(tǒng)程序工作流程如下：當主控系統(tǒng)程序啟動后，首先構造主站（STM32F103ZET6）查詢、從站（觸摸屏）應答、激光器控制及激光器應答數(shù)據(jù)幀，初始化串口并打開，主站（STM32F103ZET6）向從站（觸摸屏）發(fā)出通信請求，讀取觸摸屏當前設定的加工工藝及相關參數(shù)，解析應答幀，讀取加工工藝及參數(shù)，依據(jù)加工工藝及參數(shù)，控制冷水機組、半導體激光器、機器人及送粉器按照加工工藝要求協(xié)同工作，同時將半導體激光器的反饋參數(shù)送觸摸屏實時顯示，實現(xiàn)半導體激光器自動報警與自診斷功能，主控系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)幀的構造、發(fā)送、解析必須嚴格按照Modbus RTU Slave協(xié)議進行，才能夠完成正常的通信。數(shù)據(jù)是否按照要求接收完畢，需要檢查，如數(shù)據(jù)接收不完整，則需要重新接收;接收的數(shù)據(jù)是否正確，需要進行CRC校驗，如果該數(shù)據(jù)不能通過CRC校驗，則舍棄重新接收，如果通過校驗，才能進行應答幀解析，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

（2）人機界面程序

利用上海某公司的Kinco HMIware組態(tài)編輯軟件，可以方便進行人機界面程序設計并寫入MT4300C中。該軟件界面友好，采用圖形化編程，操作簡單易上手，為用戶提供了一個強大的集成開發(fā)環(huán)境。人機界面服務程序的組成主要包括如下幾大部分：①權限與密碼保護，包括觸摸屏使用授權、用戶權限管理、項目密碼保護等功能模塊;②加工工藝及參數(shù)的設定，包括加工工藝選擇（激光修復與激光熱處理）、開關冷水機組、開關激光器及功率設定、開關機器人、開關送粉器等功能模塊組成;③加工狀態(tài)及故障報警顯示模塊。人機界面程序設計流程如圖4所示。

在正式選擇加工工藝之前，需要按照機器人控制系統(tǒng)中編制完成的程序使機器人試運行，只有機器人運行軌跡符合設定的加工要求才能進行正式的加工，此部分功能單獨手動啟動。在進行激光熔覆加工時，只有送粉器能正常運行并且送粉速率符合要求時，才能啟動冷水機組與激光器，送粉速率不符合要求，需單獨調(diào)節(jié)送粉器。同時，開啟激光器的前提條件是必須先開啟冷水機組，只有在關閉激光器30 s后，才能關閉冷水機組，以防由于溫度過高，燒壞激光器。此部分可通過Kinco HMIware組態(tài)編輯軟件中的宏代碼編程實現(xiàn)，作業(yè)員在操作時，具有防呆功能，以免誤操作而燒壞激光器。

2.2.3系統(tǒng)通信參數(shù)設定

基于Modbus RTU Slave協(xié)議的串口數(shù)據(jù)傳輸模式，為保障主站與從站之間的成功通信，在同一網(wǎng)絡上的所有設備必須設置相同的傳輸模式及通信參數(shù)，本設計中，共用到了觸摸屏與STM32F103ZET6串口2、激光器與STM32F103ZET6串口1二對串口通信，相關參數(shù)設置如表4所示。

3性能測試與分析

實驗以國內(nèi)某半導體激光器為實驗對象，以STM32F103ZET6為核心的MCU控制系統(tǒng)作為主站控制器，步科MT4300C及半導體激光控制器作為從站，采用RS232串口通信模式，當激光器接收到MCU發(fā)出的指令時，執(zhí)行對應功能，部分指令如表5所示。

模擬時，將電腦端當作激光器，采用串口調(diào)試助手進行程序調(diào)試，調(diào)試結果如圖5～6所示。經(jīng)過模擬測試表明，觸摸屏能夠較好地滿足人機界面的設計要求，并且能夠在人機界面、MCU主控系統(tǒng)與半導體激光器三者之間建立穩(wěn)定、可靠的通信，具有一定的防呆功能，如操作開關冷水機與開關激光時，存在需先開冷水機，后開激光，關時次序則需相反，否則不能執(zhí)行相關操作。其具有自動報警和自診斷功能。該系統(tǒng)能滿足該激光淬火與激光熔覆設備集成控制系統(tǒng)的要求。

與超級終端控制相比，該控制系統(tǒng)具有明顯價格優(yōu)勢，而且體積更小，便于設備小型化。與PLC控制相比，該控制系統(tǒng)不僅具有成本優(yōu)勢，同時主控制器STM32F103ZET6具有112個通用10接口，可擴展性遠遠超過現(xiàn)行采用的PLC。與傳統(tǒng)開關控制相比，可使設備較好地集成，極大地解決了設備布線的凌亂，增強了人機交互、自動報警與自診斷功能。與傳統(tǒng)單片機控制相比，成本基本相差無幾，但由于主控制器STM32F103ZET6工作頻率最高可達72 MHz，遠大于傳統(tǒng)的8位或16位單片機，決定了該控制器響應速度遠快于傳統(tǒng)的單片機控制，控制精度也有所提升。

4結束語

本文基于STM32與eView觸摸屏，實現(xiàn)了對半導體激光器控制系統(tǒng)的重新設計與實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的控制方式相比，具有明顯優(yōu)點。其操作界面更加簡單友好，電路連接簡單，易于實現(xiàn);經(jīng)測試，通信性能可靠、穩(wěn)定，響應速度更快;具有防呆性與自診斷新功能，避免了誤操作的可能性，同時可快速查找故障;可擴展性強，便于系統(tǒng)集成。目前，該套控制系統(tǒng)已應用于廣州某公司激光熔覆與熱處理設備之中，運行穩(wěn)定可靠，性價比高，正接受實際工業(yè)生產(chǎn)的考驗。