基于STM32控制的工業運動控制器研究

凌松生 伍梓權 楊洪銳 陳龍威 趙雅祥

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

在自動化控制日趨成熟的今天，工業運動控制器成為工業控制必不可少的硬件基礎。現在，工業上大多采用三菱PLC和西門子PLC進行工業控制，但該類型PLC價格并不便宜，僅適用于大型生產線。對一些復雜的生產線來說，PLC的代碼相對復雜，代碼存儲量相對有限，但該運動控制器采用的是高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內核，工作頻率為36MHz，無論是在代碼處理性能上還是代碼存儲量上，都有很大的優勢。該運動控制器還有一個很大的優勢，就是其支持uCOS-II系統移植，即使使用者是完全不會編程語言的員工，經過簡單培訓，就可以熟練地操作該運動控制器的功能和應用。

1 STM32運動控制器硬件電路結構

該項目的硬件電路（見圖1）主要由光電隔離輸入、光電隔離輸出、隔離PWM輸出、差分模擬信號輸入、12位DA輸出五部分組成。

1.1 光電隔離輸入

光電隔離輸入電路利用的是TLP185光耦隔離器件，能很好地將STM32微控制器引腳與外部電路隔離開，從而正確地采集信號。在現實生產中，外部信號的采集很容易受波動影響，此電路卻能很好避免這一情況。

1.2 光電隔離輸出

與光電隔離輸入電路類似，光電隔離輸出能將輸出信號穩定化，避免外部電路的某一意外影響正確信號的輸出，從而理想地控制外部電路。該隔離輸出電路采用的光耦隔離器件是PC817，在外部控制中還需要采用場效應管A03422將電信號導通。

1.3 隔離PWM輸出

數字系統中，矩形脈沖在傳輸中經常發生波形畸變。對于STM32微控制器本身而言，因為輸出的PWM信號是由定時器控制產生的，所以無論是在信號產生時，還是在傳輸中失真時，它都不是一個較為嚴格的方波信號。但在現實生產控制中，人們對方波信號的要求比較嚴格，所以，該運動控制器采用了反相施密特觸發器74HC14來將波形削平，從而將比較理想的PWM信號輸出給外部控制電路，從而滿足控制的需求。

1.4 差分模擬信號輸入

在生產實際中，人們需要采集數字信號。硬件電路只能產生模擬信號，雖然STM32微控制器本身具有模數轉換功能，但是如果直接利用控制器采集模擬信號勢必會對控制產生一定的不良影響。所以，人們采用四路運算放大器LM2902對需要采集的模擬信號進行數字信號轉換，模擬信號經過模數轉換電路的轉換，被完整地轉化為數字信號。這時，微控制器再直接采集數字信號，這樣就能降低處理器的功耗，也就能更好地處理其他信號和指令。

1.5 12位DA輸出

DA是數模轉換的簡稱，與模數轉換相反，在實際生產過程中，硬件電路只能識別模擬信號，即使輸入一個數字信號給外部電路，外部電路也會將其當成模擬信號處理。但是，該模擬信號并不一定是人們需要范圍的模擬信號，這時，人們就需要實行模數轉換的逆過程，即數模轉換過程，該運動控制器采用的硬件同樣是四路運算放大器LM2902，電路與模數轉換有所不同。

2 軟件控制部分

2.1 STM32官方庫應用

由于STM32微控制器的官方廠家為人們寫好了強大的庫功能，無論是簡單的外部中斷和通信，還是初學者認為較難的PWM脈沖調制和各種通信功能，官方廠家都很好地將其集成到庫里面，人們只需要簡單的設置就可以加以利用。在遇到比較復雜的控制系統時，人們都能輕松地加以解決。

該運動控制器很好沿用了官方庫的開發功能，避免了繁雜的直接寄存器操作，具體實現的功能有：接受到觸發光電信號后，進行編碼器信號計數，達到指定計數M1（變量，可設置）后，輸出拍照信號；接受到踢廢光電信號后，進行編碼器信號計數，達到指定計數M2（變量，可設置）后，輸出踢廢信號；過觸發光電開關時，物體進行編號（編號可在0～255循環），并根據編碼器信號對其位置進行跟蹤，用于正確輸出踢廢結果；與PC實時通信，實時監控，對物件流水線進行跟蹤。

2.2 uCOS-II系統應用

考慮到不同生產實際需要和個人能力水平，官方廠家在官方uCOS-II系統的基礎上，設計出一套簡便的系統，供沒有學過STM32相關嵌入式開發知識的人員使用。該系統是通過改造原系統而寫成的一套供使用者直接操作的小型系統，它可以實現人機界面操作，如果是比較簡單的生產系統，通過簡單設置，它基本可以滿足使用需求。

3 結語

本運動控制器在實現穩定隔離電路的基礎上，加入了近似方波信號的PWM信號輸出功能、數模轉換和模數轉換功能。相對PLC而言，其穩定性存在一定差距。但是，這款運動控制器在性價比方面較具優勢，且穩定性良好。對于一些中小型流水線項目控制來說，此款運動控制器是不錯的選擇。在復雜的工程項目中，它比PLC較易實現，相應的開發時長也較短。

[1]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M]．2版.北京：機械工業出版社，2017：59-61.

[2]賈丹平.STM32F103x微控制器與μC/OS-II操作系統[M].北京：電子工業出版社，2017：152.

[3]楊百軍.輕松玩轉STM32微控制器[M].北京：電子工業出版社，2016：98-100.