基于ARM的智能密集架控制系統設計

孔令楊 張向陽 孫成立

摘 要： 為了解決當前密集架控制系統穩定性差、功耗高、操作不便捷等問題，提出一種將ARM處理器與密集架控制系統相結合的方法，設計基于ARM的智能密集架控制系統。該系統采用STM32單片機作為處理器，LCD液晶顯示屏實現對數據的顯示以及對密集架的操作，利用直流無刷電機來實現架體的運轉，各密集架之間采用無線通信的方式實現數據的傳輸，外圍電路則負責對系統狀態信息實時檢測并反饋給處理器。該系統較比傳統密集架控制系統，在穩定性和功耗等各個方面都有很大的改善，具有很好的實用價值。

關鍵詞： 密集架； 智能控制； 直流無刷電機； 無線通信； ARM； STM32單片機

中圖分類號： TN876?34； TP273+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0070?04

Abstract： A method of combining the ARM processor with the compact shelf control system is proposed， and an intelligent compact shelf control system based on ARM is designed， so as to resolve problems of poor stability， high power consumption， and inconvenient operation of the current compact shelf control system. The STM32 SCM is adopted as the processor of the system. The liquid crystal display （LCD） is used to achieve data display and compact shelf operation. The brushless DC motor is used to achieve the rotation of the shelf body. The date transmission between compact shelves is realized by means of wireless communication. The peripheral circuit is responsible for real?time detection of system status information and feed it back to the processor. In comparison with the traditional compact shelf control system， the system has improved a lot in respects of stability and power consumption， and has a good practical value.

Keywords： compact shelf； intelligent control； brushless DC motor； wireless communication； ARM； STM32 SCM

0 引 言

近年來，密集架控制系統[1]的出現給社會帶來了很大的便捷，不僅可以幫助人們有序地管理和儲藏物品，還可以極大地節省儲存空間。但是，隨著嵌入式技術的普遍應用與發展，人們對密集架系統的要求也越來越高，傳統密集架已經不能滿足社會的需求。因此，設計一套新型智能化的密集架控制系統顯得尤為重要。

目前，密集架控制系統的控制方式主要有三種，即：基于繼電器[2]、基于PLC[3]、基于微控制器MCU。其中，基于繼電器的控制方式主要利用邏輯控制電路來實現對電氣部分的操作，操作簡單便捷，但抗干擾能力差；而基于PLC的控制方式是一種以可編程存儲器為核心的控制電路，這種控制方式不僅處理速度快，而且抗干擾性強，但是這類控制器價格較為昂貴，不適用于密集架控制系統；基于微控制器MCU的控制方式主要是通過嵌入在控制板中的MCU來實現對整套系統的操作，不管是性能還是價格方面都有一定的優勢，這種控制方式在密集架控制系統中發揮了重要的作用。

本文所設計的是一套基于ARM的密集架控制系統[4]，核心芯片采用32位的CortexTM?M3處理器STM32F103ZET6，該處理器具有性能強、功耗低等優點，將這種處理器應用到密集架控制系統可以將它的性能充分地在系統中展現出來。

1 系統簡介

密集架控制系統是一種嵌入式控制系統[5]，通過控制核心與外圍設備的結合實現對密集架的控制。本文所設計的智能密集架控制系統主要分為對控制模塊的設計和對外圍電路模塊的設計。系統總體框圖如圖1所示。

系統上位機連接一套數據庫管理系統[6]，負責對系統信息的有效管理，以及對密集架的操作和密集架狀態信息的查詢。系統下位機以STM32F103ZET6芯片為核心處理器構成控制模塊，多套控制模塊組成一套主從控制模塊。

主控制模塊中，顯示與操作模塊主要負責顯示數據信息以及對密集架系統進行操作；溫濕度檢測模塊與主控制模塊相連接，主要負責對系統溫度和濕度進行實時檢測，并不斷將檢測到的數據反饋到處理器；系統采用無線通信的方式實現內部信息的傳遞與交流，不僅可以方便密集架架體的搬運與安裝，還可以防止采用有線通信時，長時間運行造成的線路不穩定，提高系統穩定性；電源模塊負責輸出持續穩定的電壓，為控制模塊持續提供額定電壓，保證其穩定工作。

從控制模塊中，電機驅動模塊為執行模塊，主要負責控制電機的運轉，實現密集架架體的運行[7]；各傳感器模塊包括紅外線傳感器、壓力傳感器、接近開關等模塊，其目的是在密集架運行的同時實時檢測架體之間的狀態信息，從而保證在密集架運行時人在架體中的安全，防止出現意外；照明模塊負責在密集架打開之時對架體間過道照明，密集架關閉時照明電路自動斷電；設置在架體外側，負責對密集架進行手動操作。該系統穩定性好、功耗低、抗干擾能力強，能夠滿足現代密集架控制系統的需求。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括對控制模塊的設計、電機驅動模塊的設計、無線通信模塊的設計。

2.1 控制模塊的設計

本文選用的控制芯片為STM32F103ZET6 [8]，其工作頻率為72 MHz，內置512 kB的閃存和64 kB的SRAM，工作電壓為0～3.6 V，有144個引腳，其中I/O口有112個，可以擴展豐富的外設資源。該芯片處理效率高、功耗低，可以很好地嵌入到各種控制系統，提高系統穩定性。控制模塊電路圖如圖2所示。

圖中，復位電路為低電平復位，采用電阻與電容的組合構成上電復位電路，與芯片的RESET端相連，既可以復位MCU，也可以復位LCD；而時鐘電路則為系統提供時鐘信號，保證系統各個模塊的運行能夠有一個統一的基準時鐘。

本文顯示與操作模塊采用TFT?LCD液晶顯示屏，同時這也是一款觸摸屏。其中，LCD的T_MISO，T?MOSI，T_PEN，T_SCK，T_CS分別與STM32F103ZET6芯片的PB2，PF9，PF10，PB1，PF11相連，負責對液晶顯示屏的控制；RST端直接與系統的復位電路相連，在復位電路工作時，同時復位MCU和液晶顯示屏；另外，將LCD_BL與處理器芯片的PB0端相連，實現對液晶顯示屏亮度的調節。

2.2 電機驅動模塊的設計

由于密集架架體較重，功率較小的電機不能滿足架體的運轉需求，所以本文選用24 V、120 W的直流無刷電機[9]，這種電機具有低噪聲、無火花、長壽命、體積小等優點。

本文所設計的電機驅動電路中電機的加減速以及停止通過控制器輸出的PWM波來控制。這是一種脈寬調制方式[10]，通過改變PWM波的占空比來控制電機工作的時間。電機驅動模塊電路圖如圖3所示。

該驅動電路主要分為三個部分，即：逆變器、電流檢測部分和位置檢測部分。其中，逆變器主要是由IR2132驅動芯片、3個N溝道MOS管和3個P溝道MOS管組成。N溝道MOS管和P溝道MOS管組成3條控制電路，而由于對直流無刷電機的控制是由3路控制信號（A路、B路、C路）來實現的，所以通過3條控制電路與3路控制信號組合，利用處理器輸出6路PWM波，不斷地改變各個MOS管的通斷狀態，可以實現電機控制信號AB，AC，BA，BC，CA，CB的循環導通，從而達到電機的不斷運轉。同時，通過改變PWM波的占空比，可以改變MOS管導通時間，從而控制電機兩端的電壓值，達到控速的目的。另外，電路中還添加了過流保護電路，通過檢測電路中的電流，并將過流信號輸入到Itrip端，即可來完成對電路的過流和直通保護。

2.3 無線通信模塊的設計

本文通信模塊采用無線通信的方式，核心芯片為NRF24L01，其電路圖如圖4所示。

圖4中：NRF24L01芯片接3.3 V穩壓電源，ANT1和ANT2則接一個50 Ω的阻抗匹配網絡與天線匹配，CSN為片選線且低電平有效，通過設置CSN端電平高低可以控制芯片是否工作； IRQ為中斷信號，是處理器與NRF24L01通信的主要方式，SCK為芯片控制的時鐘線，與處理器的時鐘相匹配，MISO，MOSI為芯片控制數據線；CE為模式控制線，與CONFIG寄存器共同決定芯片的工作狀態，通過改變CE端與寄存器PWR_UP，PRIM_RX的值，可以決定NRF24L01的工作模式，以此保證無線通信模塊的收發正常，其主要工作模式如表1所示。

3 系統軟件設計

3.1 系統總框架軟件設計

本文對下位機控制程序的設計，是通過嵌入μC/OS?Ⅱ操作系統來實現的，利用ARM處理器與小型操作系統的結合，將操作系統效率高、可擴展性強等優勢充分發揮到控制系統中，實現對系統的智能化操作，其主程序流程圖如圖5所示。

系統開機后，首先初始化各個模塊。初始化后，主從控制模塊通過對各輔助模塊的反饋信息的處理，將所需要顯示的信息分類并通過液晶顯示屏顯示出來，其中包括整個系統的溫濕度狀態信息和各個模塊的工作狀態信息。在顯示出狀態信息后，系統會判

斷溫濕度是否超出警戒線，選擇是否報警以及通風操作，然后，系統會根據接收到的命令信息對各個移動列進行操作，主要包括外部按鍵命令、內部系統命令以及傳感器信號命令。外部按鍵操作命令處理的優先級最高，當多種命令同時存在時，優先處理外部按鍵操作命令，外部按鍵命令包括密集架間的急停按鈕和左右移動按鈕。當系統不再接收到按鍵命令時，則會根據系統命令實現對密集架的操作。密集架運轉時，系統會判斷是否接收到傳感器信號，若接收到，電機會停止運轉并對其進行相應的處理，直至不再有傳感器信號反饋為止。

3.2 系統操作界面軟件設計

本文設計的下位機操作界面如圖6所示，系統初始化后，會進入界面首頁，用戶可在界面上對系統進行狀態信息查詢、系統設置、數據查詢和系統操作，并且用戶還可以閱覽公告來獲取系統信息，操作界面頂部也會不斷更新系統CPU使用率、內部溫度及時間等信息。

其中，系統操作界面會顯示各列目前的工作狀態，選擇相應列后，系統界面會彈出當前列狀態信息與操作按鈕窗口，用戶可以根據需求對密集架進行開架、閉架、通風等操作。通過對系統操作界面智能化的設計，用戶可以輕松完成對密集架控制系統的操作與管理，其操作簡單明了、方便快捷，可以很好地實現人機交互。

4 結 語

針對傳統密集架控制系統穩定性差、功耗高、操作不便捷等問題，本文構建了基于ARM的智能密集架控制系統。其中，處理器采用STM32F103ZET6芯片，并以此為核心組成控制模塊；同時，控制模塊與液晶顯示屏相結合，通過嵌入μC/OS?Ⅱ操作系統，實現對密集架的智能控制與操作；電機驅動模塊采用24 V直流無刷電機，通過PWM波與三相逆變電路的結合，實現對電機的控制；通信模塊采用無線通信的方式，可以有效降低系統的損壞程度，方便系統的操作。本文所設計的智能密集架控制系統穩定性強、功耗低、操作便捷，具有很好的實用價值；同時其人性化的設計思路也可適用于其他控制系統，對于其他嵌入式應用系統有很好的借鑒作用。

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