一種基于Cortex—M3核心的密集架嵌入式控制器設計

邢佩毅　鄒衛(wèi)軍

摘 要：本文提出了一種基于Cortex-M3核心的密集架嵌入式控制系統(tǒng)設計，重點介紹各個模塊的實現(xiàn)和整體構(gòu)架的設計。

關(guān)鍵詞：STM32；上位機；直流電機

密集架是一種由一列固定列和多列移動列組成的，正廣泛應用于自動化倉儲物流的存儲系統(tǒng)。密集架系統(tǒng)不使用時，各列架體相鄰；工作時，系統(tǒng)接收控制命令來打開制定通道。密集架系統(tǒng)有效利用了存儲空間，具有較高安全性，大大提高了倉儲物流管理的效率。

密集架系統(tǒng)的核心，是固定列和移動列采用的嵌入式控制器。嵌入式控制器完成系統(tǒng)間控制信息和狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)通信，同時根據(jù)系統(tǒng)運行邏輯，驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)對密集架的控制。

本文深入分析密集架系統(tǒng)對固定列和移動列嵌入式控制器的功能需求，設計了一款基于Cortex-M3為核心的STM32F103控制器。設計采用控制板+電機驅(qū)動板的分立架構(gòu)，并在控制板上實現(xiàn)固定列和移動列的基本功能。系統(tǒng)軟件驅(qū)動采用STM32的庫函數(shù)開發(fā)，本設計已應用于產(chǎn)品項目實施，實際應用表明，系統(tǒng)硬件設計合理，運行穩(wěn)定可靠。

1 控制器總體設計

密集架系統(tǒng)對嵌入式控制器的主要設計要求有：

⑴具有以太網(wǎng)、RS232和RS485通信功能；

⑵具有PWM輸出的低壓直流電機驅(qū)動功能和過流過壓檢測功能；

⑶具有數(shù)據(jù)信息掉電保護存儲功能；

⑷提供數(shù)字量和模擬量形式的傳感器輸入接口；

⑸具有調(diào)速控制電機的功能。

根據(jù)以上設計要求，考慮到密集架系統(tǒng)的電機驅(qū)動工作時，其產(chǎn)生的大電流信號可能會對系統(tǒng)通信造成干擾；同時系統(tǒng)運行時的一些潛在機械問題可能會造成電機堵轉(zhuǎn)等故障，損壞電機驅(qū)動電路。故為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文采用控制板和電機驅(qū)動板分離設計的構(gòu)架，其架構(gòu)圖如圖1.1所示：

2 控制器功能模塊設計

2.1 主控芯片

2.2 通信模塊

通信是整個系統(tǒng)正常工作的核心，通信分串口通信和以太網(wǎng)通信。

2.2.1 串口通信

固定列和移動列通信采用RS485通信，通信協(xié)議為MODBUS協(xié)議。一個系統(tǒng)中，固定列為一列，移動列數(shù)量不定，因此，RS485通信距離可能會很長，在設計時要注意，收器端要有上拉電阻，下拉電阻，通信線上要添加匹配電阻。另外，RS485通信工作方式為差分電平的工作模式，在實際工作中，要在收發(fā)端加雙向保護對管，目的是保護收發(fā)兩端間電壓差不至于過大，燒壞RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，串口通信模塊如下圖2.2所示：

2.2.2 以太網(wǎng)通信

固定列和上位機通信采用以太網(wǎng)通信，通信接口是SPI接口，用的通信芯片是常用的網(wǎng)絡芯片（W5100），此芯片操作簡單，用固定的IP地址通信，初始化W5100后，用中斷方式通知控制器（STM32F103R8T6）控制數(shù)據(jù)是否寫入W5100，如果響應中斷，控制器從網(wǎng)絡芯片中讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機采用直流電機，控制采用脈寬調(diào)制的方法，可以實現(xiàn)自動調(diào)速功能，同時還有過流保護，避免電流過大燒毀電機，把損失降為最低，STM32輸出的信號為脈寬調(diào)制信號，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號，相應的電機驅(qū)動采用H橋電路驅(qū)動。

工作原理：通過晶體管的開與關(guān)的時間，來改變加在電機上平均電壓的大小，用此方法來調(diào)節(jié)電動機的運轉(zhuǎn)速度。H橋電路如圖2.3所示：

H橋式電路由四個MOS管組成。當導通對角線上的一對MOS管時，電機才能正常動轉(zhuǎn)，當Q4和Q5導通時，電機正向旋轉(zhuǎn)，當Q3和Q6導通時，電機反向旋轉(zhuǎn)。因此，通過MOS管導通與斷開控制電機的轉(zhuǎn)向，通過脈寬的大小調(diào)節(jié)電機的旋轉(zhuǎn)速度，達到對電機的合理控制。

2.4 信息掉電保存設計

系統(tǒng)在運行過程中可能會遇到突然斷電的情況，因此設計了掉電保護功能，采用AT24C02擴展了2K的存儲空間。控制器內(nèi)部集成了IIC模塊，采用IIC與AT24C02通信，相應電路如圖2.4所示：

3 系統(tǒng)的調(diào)試和結(jié)果

系統(tǒng)的調(diào)試過程分模塊調(diào)試，整個系統(tǒng)分為以下幾個模塊，控制器與觸摸屏通信的串口模塊，固定列和移動列之間通信的串口模塊，固定列與上位機通信的網(wǎng)絡模塊，固定列讀取傳感器信息模塊，移動列驅(qū)動電機的驅(qū)動模塊，移動列驅(qū)動照明燈模塊等。

上位機和固定列控制采用以太網(wǎng)控制，采用SPI接口來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，固定列負責把上位機發(fā)出的命令解析為相應控制移動列的命令，并下發(fā)解析后的命令來實現(xiàn)。

固定列控制部分，系統(tǒng)運行開始調(diào)試LED燈亮，讀取回移動列信息，如果有動作執(zhí)行；讀取觸摸屏信息，如果有動作下發(fā)控制命令給移動列；中斷方式監(jiān)控上位機命令，如果有控制命令，固定列解析命令后下發(fā)給移動列；各個進程得理結(jié)束后，調(diào)試LED燈滅。

移動列控制部分，初始化后，調(diào)試LED燈亮，采集本列的狀態(tài)信息，等待固定列的查詢狀態(tài)命令，并返回本列信息給固定列；等待固定列下發(fā)的控制命令，接收到命令動作，驅(qū)動電機運動；調(diào)試LED燈滅。本系統(tǒng)投入到實際的運用中，達到了預期的效果。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設計的控制板可靠性高，還擴展出了CAN模塊，提高了串口通信穩(wěn)定性，此控制板擴展出了STM32的各個模塊，不僅僅局限于智能移動貨架，還可以應用到其它控制領(lǐng)域，有工業(yè)控制中常用的隔離模塊，以太網(wǎng)控制模塊，串口通信模塊等，使用者也可以根據(jù)自己的需要去配制，也可以移植UCOSII系統(tǒng)來控制各個模塊的進程，作為更深層次的開發(fā)和運用，可以使本系統(tǒng)更廣的應用。

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