基于STM32的運(yùn)動(dòng)小車設(shè)計(jì)

吳 琳

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)小車的嵌入式系統(tǒng)通常使用單片機(jī)，從構(gòu)成上來看，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可以使用STM32CubeIDE，是ST公司基于Eclipse/CDT框架和GUN GCC工具鏈制作的免費(fèi)IDE，并集成了STM32CubeMX，可以實(shí)現(xiàn)STM32系列芯片的外圍設(shè)備配置、代碼生成、代碼編輯、代碼編譯、在線調(diào)試，并且支持?jǐn)?shù)百個(gè)Eclipse現(xiàn)有插件[1]。

1 系統(tǒng)介紹

運(yùn)動(dòng)小車主要由STM32單片機(jī)開發(fā)板、DRV8837驅(qū)動(dòng)模塊、編碼直流電機(jī)模塊、OLED顯示模塊、電源模塊等組成，圖1是運(yùn)動(dòng)小車系統(tǒng)組成圖[2]。采用編碼器對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行檢測(cè)，采用STM32CubeIDE軟件配置定時(shí)器PWM、硬件編碼器和SPI來控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)并在顯示屏上顯示速度。

圖1 運(yùn)動(dòng)小車控制系統(tǒng)組成圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 編碼直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊

STM32單片機(jī)通過定時(shí)器輸出PWM來控制編碼直流減速電機(jī)，通過改變PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)電壓大小的調(diào)節(jié)，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[3]。STM32單片機(jī)輸出電壓為3.3 V，而要驅(qū)動(dòng)的編碼直流減速電機(jī)的電壓一般都大于3.3 V，所以STM32單片機(jī)是無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的。因此可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)DRV8837來幫助單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓與電流。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特別快，直流減速電機(jī)內(nèi)部安裝了一個(gè)減速器來降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)闇p小轉(zhuǎn)速后可以增強(qiáng)電機(jī)可控性。

電機(jī)上有高精度編碼器，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，電機(jī)上的A、B兩個(gè)霍爾傳感器就會(huì)輸出A相和B相固定個(gè)數(shù)的方波，精度越高的編碼器輸出方波的個(gè)數(shù)就越多。所以測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)A相輸出的方波個(gè)數(shù)就可以知道電機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)了幾圈，也就是轉(zhuǎn)速。也可以測(cè)量B相輸出的方波來測(cè)量速度，這里采用四倍頻技術(shù)獲得更高的精度。判別直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)A相“正跳變”時(shí)，如果B相是高電平，那么就是正轉(zhuǎn)，反之是反轉(zhuǎn)[4]。

GA12-N20編碼直流電機(jī)模塊如圖2所示，首先需要P2排座給電機(jī)輸入5 V電源，通過圖中U2模塊的AMS1117[5]電壓轉(zhuǎn)換芯片，將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V，這個(gè)3.3 V電壓主要是為了U1模塊DRV8837電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8837需要輸入兩路PWM信號(hào)，可由P2端口提供，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出兩路信號(hào)控制編碼直流電機(jī)[6]。編碼直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高精度編碼器會(huì)輸出兩路脈沖信號(hào)，通過P5模塊采集脈沖信號(hào)，計(jì)算轉(zhuǎn)速。

圖2 編碼直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊

GA12-N20直流電機(jī)內(nèi)部有減速比為1∶30的減速裝置，即理論上電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)1圈碼盤旋轉(zhuǎn)30圈。碼盤上有兩個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器，有7個(gè)磁點(diǎn)。當(dāng)采集單個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器的一路脈沖時(shí)，碼盤旋轉(zhuǎn)1圈，就會(huì)產(chǎn)生7個(gè)脈沖信號(hào)。所以當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)1圈時(shí)，碼盤就會(huì)旋轉(zhuǎn)30圈，采集一路信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生210個(gè)脈沖。

編碼器硬件連接如圖3所示，利用16p排線通過P11端口將核心板與擴(kuò)展版連接，連接后，通過4p排線將P9端口與P5端口再進(jìn)行連接，P9端口引出的D0、D1可以對(duì)應(yīng)不同的核心板，在這里就是對(duì)應(yīng)的P11端口定時(shí)器中斷I/O口PI5、PI6，通過查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，PI5是TIM8_CH1，PI6 是 TIM8_CH2，STM32CubeIDE軟件要按照定時(shí)器端口進(jìn)行配置。

圖3 編碼器硬件連接

如圖4所示，通過4p排線將擴(kuò)展版中的P10端口與編碼直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊的P2端口連接就可以控制直流電機(jī)。A0和A1端口分別對(duì)應(yīng)PA5和PA1，這兩個(gè)引腳都支持PWM輸出，通過PWM輸出脈沖來控制直流電機(jī)。

圖4 直流電機(jī)連接

2.2 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊電路主要由4個(gè)部分組成，包括OLED 2.42寸液晶顯示屏U5、P1端口、電壓轉(zhuǎn)換電路U4和升壓轉(zhuǎn)換電路U3，如圖5所示。P1是通信顯示接口，U4將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓提供給OLED作為邏輯電平，U3是將5V轉(zhuǎn)換成13V給OLED提供顯示電壓。

圖5 OLED顯示模塊電路

2.2.1 OLED2.42寸液晶顯示屏

在控制液晶顯示屏?xí)r，OLED屏每個(gè)像素點(diǎn)都是獨(dú)立的，需要為每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行賦值。如果直接用單片機(jī)通過地址進(jìn)行賦值，那么屏幕顯示速度非常慢，所以在屏幕上用一個(gè)控制器，當(dāng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器時(shí)，控制芯片直接將數(shù)據(jù)寫入屏幕中呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖形。

控制器使用SSD1309控制芯片，它是一款用于有機(jī)/聚合物發(fā)光二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)的帶控制器的單片CMOS OLE/PLED驅(qū)動(dòng)器。它有128個(gè)段和64個(gè)公共區(qū)組成，專為普通陰極型OLED面板設(shè)計(jì)。

SSD1309控制器有5種總線接口模式：8-bit 8080、8-bit 6800、3-wire SPI、4-wire SPI和I2C。此時(shí)SSD1309控制器中BS1和BS2接地，所以需要通過4-wire SPI進(jìn)行通信。SPI通信是一種高速、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局節(jié)省空間。使用OLED片選信號(hào)端CS#、復(fù)位OLED端RES#、命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志端DC#（0讀寫命令、1讀寫數(shù)據(jù)）、時(shí)鐘線 D0（SCLK）、數(shù)據(jù)輸入端 D1（SDIN）。

2.2.2 升壓轉(zhuǎn)換電路

升壓轉(zhuǎn)換電路的作用就是將5 V電壓轉(zhuǎn)換成13 V電壓，利用MT3608升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。MT3608升壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)恒定頻率，6腳SOT23電流模式階躍變換器，開關(guān)頻率1.2 MHz，允許使用微型低成本電容器，該芯片的特點(diǎn)是在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換到脈沖頻率調(diào)制模式，并且包括低壓閉鎖、限流和熱過載保護(hù)。升壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓可以利用式（1）求得。

查詢技術(shù)手冊(cè)可知VREF=0.6 V，而電路中R7=10KΩ，R8=470Ω所以計(jì)算可得Vout=13.37 V，這樣就實(shí)現(xiàn)了升壓目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)配置

按照系統(tǒng)硬件構(gòu)成在軟件STM32CubeIDE中配置STM32芯片引腳[7]，配置時(shí)鐘源、時(shí)鐘中斷、通道及模式、分頻系數(shù)等參數(shù)保證編碼直流電機(jī)和OLED有正確的控制功能。利用參數(shù)配置可以控制電機(jī)、OLED的顯示和計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

例如配置定時(shí)器輸出PWM信號(hào)的步驟如圖6所示。首先將PA5端口配置為“TIM2_CH1”，PA1端口配置為“TIM2_CH2”模式。然后配置TIM2，選擇內(nèi)部時(shí)鐘源，通道1和通道2都選擇PWM形式，最后配置定時(shí)器的頻率，如圖7所示，這樣PWM信號(hào)就配置完成。

圖6 配置PA5和PA1端口

圖7 配置定時(shí)器TIM2

3.2 關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是編碼直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和OLED的顯示。其中編碼直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要STM32單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，所以要完成PWM比較值的設(shè)定以及OLED顯示程序的設(shè)計(jì)。

3.2.1 PWM控制程序

PWM的模式選擇采用向上計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于比較值時(shí)，輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于比較值時(shí)，輸出低電平。PWM設(shè)定程序如下：當(dāng)value大于零時(shí)，將此值賦予通道1并且通道2賦予0，這時(shí)就實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)功能；反之value小于零，則將此負(fù)值取反變成正值賦予通道2，而通道1賦予0，此時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)功能。比較值變低時(shí)，高電平時(shí)間變長(zhǎng)，即PWM占空比變大，可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)比較值變成0時(shí)，整個(gè)周期輸出是高電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片輸入兩路高電平，電機(jī)就停止。

3.2.2 OLED顯示程序

首先觸發(fā)編碼器定時(shí)器，設(shè)定碼盤初始值、電機(jī)初始轉(zhuǎn)速、初始速度，通過Get_Motor_Encoder_Val()函數(shù)獲得實(shí)時(shí)狀態(tài)的碼盤值、電機(jī)轉(zhuǎn)速，并在OLED中顯示。

4 數(shù)據(jù)顯示

運(yùn)動(dòng)小車速度顯示如圖8所示，通過按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)，占空比初始值為50%，調(diào)節(jié)占空比可以看出隨著占空比變大，碼盤值變大，速度也變快，車輛控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

圖8 車輛控制系統(tǒng)顯示

5 結(jié)束語

本文通過使用STM32CubeIDE、STM32單片機(jī)、編碼直流電機(jī)和OLED顯示屏進(jìn)行軟硬件結(jié)合，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于STM32CubeMX的開發(fā)模式，這種方法可以根據(jù)應(yīng)用需求使用圖形化配置工具對(duì)MCU片上外設(shè)進(jìn)行配置，然后生成基于HAL庫和LL庫的初始化代碼，最后將生成的代碼導(dǎo)入集成開發(fā)環(huán)境并進(jìn)行編輯。從以上研究可以看出，利用嵌入式技術(shù)，基于STM32的小車設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的速度控制和啟?？刂?，控制性能優(yōu)越，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。