基于STM32的無線調節起跑器控制系統

林凱　王宇杰　章健

摘要：文章主要介紹了一種基于STM32可無線調節起跑器的控制系統，該系統以STM32為核心器件，賽前采集不同運動員對起跑器使用習慣的數據，通過PC機將信息利用nRF905無線模塊傳遞給起跑器上的單片機，由單片機控制調節起跑器的角度、位置。實現了縮短運動員在賽場手動調節起跑器的時間，有利于運動員提高比賽成績，同時加快了比賽進程，增加了比賽的觀賞性。

關鍵詞：STM32 無線調節 控制系統

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0003-02

1 引言

在短跑競賽中，起跑器是常見的體育器材，它能幫助運動員提高起跑速度，取得好成績。但是運動員在賽前需要不斷手動調節適合自己起跑的起跑器位置。如若沒有調節好自己適應的起跑器位置便開始比賽，運動員很難取得自己理想的成績。本文設計了一種起跑器控制系統，可實現賽前無線調節起跑器位置、角度，縮短了運動員賽場上手動調節起跑器的時間，有利于運動員提高比賽成績，同時加快了比賽進程，增加了比賽的觀賞性。

2 系統結構及設計方案

系統由STM32單片機、起跑器、RS232電平轉換電路、nRF905無線模塊、S3003舵機、42系列步進電機、M542H電機驅動、直線滑臺、PC機組成。賽前采集運動員習慣使用起跑器的位置、角度等信息，存儲在PC機的數據庫中。正式比賽前，使用PC機上位機界面將數據通過RS232串口傳輸給與PC機相連的STM32中，由無線模塊nRF905成功接收到STM32傳輸的數據后發送，當裝在起跑器上的無線模塊nRF905成功接收后，將數據發送給起跑器上的STM32單片機進行處理，單片機將處理的數據轉化為兩部分，一是調節角度信號即PWM的占空比，實現抵足板角度的控制。二是將處理的位置數據轉化為脈沖個數，使固定在直線滑臺上的步進電機旋轉一定圈數，改變固定在直線滑臺上的兩抵足板的前后位置。無線調節起跑器的控制系統總體方框圖如圖1所示。

3 系統硬件電路及部分機械簡圖

3.1 主控制器

本系統采用意法半導體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器芯片STM32F103VBT6作為控制核心。工作頻率為72MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。采用STM32來接收PC機傳輸的數據和配合nRF905控制舵機和步進電機實現對起跑器角度、位置的調節。

3.2 無線傳輸模塊

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1.9～3.6V，最大數據速率為100kbit/s，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功率低，以-10dBm輸出功率發射時電流僅11mA，工作在接收模式時電流為12.5mA，具有空閑模式與關機模式，易于實現功率管理。

STM32單片機內部有硬件SPI通信接口，可直接與nRF905模塊的SPI接口相連，便于控制。STM32單片機與nRF905接線如圖2所示。

3.3 42系列步進電機及M542H電機驅動

本系統使用的是42系列富興兩相四線混合式步進電機，機身長度33mm，額定電流1.33A，單軸輸出，整步工作時步距角為1.8度，整步（空載）精度達5%。 該步進電機采用M542H電機驅動，M542H是一款專業的兩相步進電機驅動。可實現正反轉控制，通過3位撥碼開關選擇8檔細分控制（1，2，4，8， 16， 32， 64，128 ），通過3位撥碼開關選擇6檔電流控制（0.5A，1A，1.5A，1.8A，2.5A，3A）。適合驅動57、42型兩相、四相混合式步進電機。能達到低振動、小噪聲、高速度的效果驅動電機。

3.4 S3003舵機與抵足板機械簡圖

本系統用STM32定時器輸出PWM信號，控制S3003舵機轉動，通過調節PWM信號的占空比使舵機轉動一定角度，從而帶動連桿旋轉，實現與連桿相連的起跑器抵足板角度的調節。S3003速度在 4.8V時0.23秒/60度，在6V時0.19秒/60度，可轉動角度為180度，可直接用單片機供電，信號線與STM32的TIM腳相接，接收PWM信號。S3003舵機與抵足板連接機械簡圖如圖3所示。

如圖4，當起跑器接收到調節角度的信號時，由于連帶1可自由活動，單片機控制舵機5帶動連接桿4旋轉所需角度，從而使與連接桿相連的抵足板2旋轉一定角度。

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要由STM32程序設計和上位機軟件設計組成。

4.1 nRF905無線模塊驅動程序設計

本系統中nRF905無線模塊與STM32單片機通過SPI協議進行通訊，無線模塊配置頻段在433MHz。（1）當STM32單片機有數據要發送時，通過SPI協議將接收節點的地址和需要發送的數據傳給nRF905。 （2）STM32單片機將TRX_CE和TX_EN置高，進入發送模式。（3）nRF905射頻寄存器自動打開，加前導碼和CRC校驗碼完成數據包，然后發送數據包。當數據包發送完成，DR腳置高。AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發，直到TRX_CE被置低。（4）當TRX_CE被置低，nRF905完成數據傳輸，自動進入Standby模式。

4.1.1 接收程序設計

當 TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進入ShockBurst接收模式；nRF905不斷監測，等待接收數據；當nRF905檢測到同一頻段的載波時，接收數據，CD引腳被置高；當接收到一個數據包的地址是有效的，AM引腳被置高；當一個正確的數據包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和 CRC校驗位，然后把DR引腳置高；STM32單片機把TRX_CE置低，nRF905進入Standby模式；STM32單片機通過SPI口，以一定的速率把數據移到單片機內。

4.1.2 步進電機程序設計

本系統使用的是42系列兩相四線制混合式步進電機，每一瞬間，步進電機有兩個線圈同時導通。每送一個勵磁信號，步進電機旋轉1.8°。步進電機固定在直線滑臺上，步進電機每旋轉一周帶動絲杠前進或后退4mm，精度可達到0.001mm。能有效控制固定在滑臺上的兩抵足板之間的距離。

4.2 M542H驅動程序設計

4.2.1 M542H驅動細分數設定

細分數是以驅動板上的撥盤開關選擇設定的，根據細分選擇表的數據在斷電情況下。設定細分后步進電機步距角按下列方法計算：步距角=電機固有步距角/細分數。

4.2.2 PWM占空比及頻率設置

STM32單片機有7個定時器，其中每個定時器均有4個獨立可編程輸出PWM通道。這里選用TIM1，設置時鐘為72MHz，向上計數，自動裝載ARR的值。PWM占空比的頻率可由公式求出：f=72/（ARR+1）*（PSC+1）。PWM不同占空比的取值儲存在捕獲比較寄存器CCRx中，通過改變CCRx中的值來改變PWM的占空比。

4.3 上位機軟件設計

本系統中上位機采用VB的MSComm控件進行串口通信。STM32通過RS232串口與PC機進行數據傳輸，由于串口電平不匹配，需要電平轉換芯片MAX232進行轉換。用MSComm控件進行串口通信的的步驟如下：（1）設置通信對象，端口號和配置格式。其中配置格式需要有起始位個數、數據位長度、校驗方式、停止位個數等。（2）設定通訊協議。（3）打開數據端口，進行數據傳輸。（4）關閉通訊端口。數據傳輸結束后，需要將端口資源還給操作系統。

5 結語

本文設計的系統可以實現無線調節起跑器角度、抵足板前后位置，節省了運動員在賽場上的調節時間，有利于個人發揮，同時加快了比賽進度，可應用于大中小等短跑賽事，具有廣闊的應用前景。