基于STM32的柔性繩索自動升降裝置電控系統設計

張富春 ，鄭武略 ，梁偉昕 ，宋 丹 ，崔家瑞

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.北京科技大學自動化學院，北京 100083）

由于我國近年大規模發展超特高壓電網建設，相較于國外電壓等級較低的輸電線路，其高空作業難度比國外大了很多，而國內常見的用于高空作業防墜保護、物料傳遞、人員攀爬的技術措施和裝置主要有防墜落保護裝置[1-2]、絞磨[3-4]、繩梯[5]、攀爬機[6]、繩索滑輪組合[7]等，都各自有缺點。相較而言，單個設備功能單一、自重大、不易搬運攜帶、適用地形窄，或者造價較高、經濟性差。

電力公司與科研院所等有關單位針對高空作業人員防墜保護陸續開展了很多新技術研究[8-10]，但其主要功能是保護人員高空作業防墜安全，不具備其他功能。

以南方電網超高壓廣州局為例，其維護線路長度已經達到了3 349公里，線路路徑經過廣東地區43個縣市，而且80%線路位于山區。電力人員出導地線絕緣子串采用軟梯等工具，隨著電壓等級的逐步提高，絕緣子串長隨之增加，人工上下絕緣子串難度增加，耗費體力大。

針對上述問題，設計了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動升降裝置電控系統，有效降低了人員的勞動強度，提高了檢修效率。

1 系統整體框架

基于STM32的柔性繩索自動升降裝置電控系統實現了裝置的自動升降控制與裝置的位姿監測，同時保證了裝置運動過程中的安全性。系統采用ST公司的Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構，主要由電源管理模塊、主控模塊、傳感器模塊、存儲模塊、驅動模塊和外部接口組成。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

電源管理模塊完成整個系統的供電與故障時的后備供電；主控模塊采用32 bit Cortex M4主處理器和獨立供電的32 bit Cortex M3協處理器的雙處理器模式，保證了系統的安全性；傳感器模塊主要包括氣壓計、加速度計和陀螺儀，用于實時監測升降裝置的姿態與速度信息，保證升降器升降過程的平穩性和方向性；存儲模塊用于存儲用戶設定的系統參數以及系統運行日志等數據；驅動模塊主要用于升降裝置電機的大功率驅動以及與主控系統的信號隔離；外部接口包含手動控制、無線通訊、電機控制和急停制動等模塊，不僅方便用戶與升降裝置之間的交互，而且提供了多種總線接口方便系統擴展。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊是系統的核心，完成系統的運行狀態監測與控制功能。將用戶發出的指令轉化為控制驅動裝置的指令，以進行相關的處理。考慮到系統對硬件的需求和安全性等因素，自動升降裝置采用了硬件冗余設計，主控模塊采用STM32F407[11]和STM32F103[12]雙處理器設計方案，且STM32F103協處理器是獨立電源供電，以此保證主控制器失效時，自動安全切換到備用控制器上。該方案保證了系統和傳送人員的安全。

主處理器可以測量電源模塊的電池電壓和電流、5 V不規律的供應軌道（用于檢測掉電狀態），同時可以檢測到外接設備電源接口的過載現象。協處理器可以測量伺服線的電壓，硬件鎖定可以防止端口的持續短路導致的損傷，這個鎖可以被主處理器軟件重新設置。

2.2 電源管理模塊

電源作為整個系統的能源保障，其設計的好壞直接影響系統的性能及穩定性。由于系統需要的電壓等級較多，而系統對電源的性能要求較高并且要求體積小、重量輕，因此，采用高性能開關電源的形式。該方案既能保證高壓電源的供電需求，又能很好地滿足低壓電路的需求；同時，能夠提供85%以上的供電效率，大大減少了能源浪費。

為了實現升降裝置的不間斷供電和自動故障轉移，采用了ADI公司的三輸入電源優先級供電控制器LTC4417，并且每個設備均單獨供電。經過LTC4417輸出的有效電壓后，先通過具有過壓過流保護的鋰電池充電管理芯片BQ24315進行整流，輸出兩路穩定的5 V電源后，再采用多路LDO電源芯片MIC5332，分別供給不同類型的設備，防止互相干擾，同時保證了電源的可靠性。

LTC4417支持2.5～36 V的寬電壓輸入，并且可從三路輸入電源中選擇優先級最高的有效電源來給負載供電。有效電源是指輸入電壓處于由欠壓和過壓門限設定的窗口區域內時間達到256 ms。只有在高優先級電源無效時才會自動切換到低優先級電源。

BQ24315是高度集成的具有過壓和過流保護的鋰電池保護芯片，使其免受充電電路故障的影響，輸入電流上限1.5 A。BQ24315時刻監控著輸入電壓、輸入電流，并且有線性的輸出。當過壓情況出現時，它能通過關閉內部開關迅速轉移電壓，響應時間小于1 ms；在發生過流情況時，它能夠將系統的電流限制在一定的范圍內，這極大地提高了系統的安全性。

兩個BQ24315芯片都輸入穩定的5 V電壓，分別輸出VDD_5V_HIPOWER給外接數傳以及VDD_5V_PERIPH給GPS、CAN總線以及I2C等外部設備。VDD_5V_HIPOWER_OC指示數傳電壓的狀態，輸出高電平表示正常，輸出低電平說明電調電壓過壓同時切斷OUT輸出。

2.2.1 主處理器和協處理器電源設計

主處理器和協處理器都是在3.3 V電壓下運行的，而且都有自己私有的雙通道校準器，每一個校準器都有一個通電的重置輸出，綁定了校準器的通電和斷電序列。因此，采用了一款雙輸出超低壓降LDO電源管理芯片MIC5332。該芯片能夠對負載的電壓變化進行快速響應。從一路輸入無延遲分出兩路穩定的輸出電壓。輸入電壓從2.3 V到5.5 V，EN1，EN2都拉高，表示輸入使能。VOUT1為主處理器供電，VOUT2為傳感器單獨供電。

2.2.2 驅動模塊電源設計

升降裝置的伺服電機支持標準的5 V和有限的高壓（最高到10.5 V伺服供能）。協處理器從伺服連接器那里接收到最高10 V的電能，這樣就允許協處理器在所有情況下（包括主要供電斷電或受干擾）轉移到伺服裝置供能。

BQ24313對于低于10.5 V的輸入電壓，輸出電壓限制在5.5 V以內，當輸入電壓超過閾值時，芯片將阻止電壓輸出。EN2置為高，使能輸入，最后通過VOUT2輸出3.3 V電壓供協處理器使用。

2.2.3 外部接口電源設計

對于外部接口電源，升降裝置提供了電能路由、過載/低載電壓檢測和保護、過濾、切換、電流限制和外接設備瞬變壓制，保證了傳輸給外接設備的電壓不超過5.5 V。電源會在供給電壓掉到2.7 V以下或是上升到5.7 V以上的時候斷開連接。

因此，前端采用BQ24313提供過壓過流保護，僅使用MIC5332的一個OUT口供電。

2.3 存儲模塊設計

主處理器上連接了一塊FM25V01 128K非易失鐵電存儲器。鐵電存儲器同時具有EEPROM的速度和數據掉電不丟失的優點。設計中用于存儲升降裝置的關鍵運行狀態數據，一旦升降裝置在運行中發生故障重啟，則可以延續前面的狀態和計算結果。

另外，主控模塊的協處理器上設計了Micro SD卡存儲器，并通過上拉電阻連接，增加了輸出驅動能力，用于存儲運行日志和升降裝置升降的整個過程的所有數據以及升降裝置的腳本啟動文件。

2.4 驅動模塊電路設計

為了保證當串口出現大電流時不會燒壞主控模塊，驅動模塊采用了TI公司的雙向電壓電平轉換器TXS0108。該轉換器在保證高速通信的情況下具有較強的信號隔離和信號驅動能力。

為了使在上電以及斷電過程中輸出處于高阻態，TXS0108E的OE腳連接了一個電容并接到GND上。由于A端與B端不需要電平轉換，因此，只起到隔離作用。

主處理器上有6個PWM輸出，協處理器上連接了8個PWM輸出。

2.5 傳感器模塊電路設計

傳感器模塊主要是為了獲得升降裝置的實時位置與姿態，當升降裝置接收到用戶發出的指令以后，傳感器便將實時測得的數據進行融合，并傳輸給控制器進而解算出給驅動裝置的控制量。

傳感器模塊進行了冗余設置，升降裝置上搭載了3套測量姿態的IMU慣性測量單元（主板上1套，IMU載板上2套），安裝在主板上的傳感器和減震傳感器被用在不同的集線器之中，防止所有傳感器的傳輸數據準備信號被路由。

升降裝置采用MEAS MS5611氣壓計，用于測量高度，采用ST公司三軸16位陀螺儀Micro L3GD20測量旋轉速度，采用三集成加速度計和磁力計的LSM303D確認外部影響和羅盤指向；同時設計了三軸16位加速度計和陀螺儀MPU6000、三軸16位加速度計、陀螺儀和磁力計MPU-9250電路。

2.5.1 主板傳感器模塊設計

主板傳感器模塊主要包括MPU-9250、HMC 5983和MS5611，各部分電路設計原理如下。

1）MPU-9250電路設計

MPU-9250內置了三軸16位加速度計、陀螺儀、AK8963磁力計和數字運動處理器，可以有效減輕主機處理器的時序要求和處理能力，更加方便地應用于嵌入式領域。

MPU-9250的3軸速率陀螺儀利用科里奧利效應，會引起由電容式傳感器檢測圍繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉。滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度。采樣率從3.9個/s～8 000個/s自由設置。設計的滿量程范圍設定為±500/s，采樣率為50個/s。

MPU-9250的3軸加速度計通過電容式傳感器檢測每個軸的加速度變化，降低了對制造變化和熱漂移的敏感性。加速度計的滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設計中量程設定為±8 g。

MPU-9250的3軸磁力計使用高度靈敏的霍爾傳感器技術。通過內置信號調理電路直接輸出16位的3個軸中的地磁信號，測量范圍為±4 800 μT。

2）HMC5983

HMC5983是一款帶溫度補償的3軸電子羅盤，采用羅克韋爾的各向異性磁阻技術，具有更好的線性度和溫度穩定性，使得其更適合應用于低成本的應用場景。航向角的測量精度為1～2度，分辨率為2 mGS。

3）MS5611

MS5611采用不銹鋼封裝的高精度氣壓計，氣壓測量范圍10～1 200 mbar，具有10 cm的高度分辨率和1 ms的響應時間，并集成了SPI和I2C接口，特別適用于高度集成的數字電路中。

主板傳感器模塊電路如圖2所示。

2.5.2 IMU載板傳感器

1）L3GD20

L3GD20是具有16位數字輸出的3軸陀螺儀，集成了SPI和I2C接口。滿量程為±245、±500或±2 000度，設計的滿量程范圍設定為±500度。

2）LSM303D

LSM303D集成了3軸數字線性加速度傳感器和3軸數字磁傳感器，可以測量±2 g、±4 g、±8 g或±16 g的線性加速度和±1.3、±1.9、±2.5、±4.0、±4.7、±5.6或±8.1高斯的磁場，具有因慣性或自由落體事件自動生成中斷信號的功能，方便快速檢測升降裝置的狀態。

3）MPU-6000

MPU-6000是針對低成本和高性能要求設計的，集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計，以及數字運動處理器，可處理復雜的6軸運動融合算法，無需主控模塊的干預即可收集全套傳感器數據。陀螺儀滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度，設計中設定為±500度。加速度計滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設計中設定為±8 g。

圖2 主板傳感器模塊電路

4）MS5611

IMU板上的MS5611電路連接與主板上的MS5611相同，只是此處的MS5611與IMU載板上的其他傳感器一樣使用的是另一套SPI總線。

IMU板傳感器模塊電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

軟件采用由應用層、抽象層和驅動層組成的3層架構，使得程序結構清晰、可讀性增強，保證了系統的可移植性。任務處理采用有限狀態機模型[13-14]，保證各任務的執行時間已知，使系統運行可靠穩定，提高了整個系統的運行效率和實時性。軟件整體設計框圖如圖4所示。

圖3 IMU板傳感器模塊電路

任務處理上使用有限狀態機的基本思想：在主程序執行while循環執行一圈的過程中，應用層的每個任務只執行其自身某個狀態的操作，以便多個任務能夠并行執行。但在通信任務中要保證收發數據的原子操作[15-16]，以保證通信的實時性和可靠性。

系統軟件流程圖如圖5所示。

圖4 軟件整體架構框圖

圖5 系統軟件流程圖

4 仿真實驗

為了保證姿態檢測的有效性，對傳感器模塊進行了標定與測試。

陀螺儀零點漂移可以通過測量得到，加權可求得其平均值，再通過均值濾波器剔除掉該常量，可以有效減少該誤差項；加速度計標定的方法很多，一般都采用基于重力的多位置翻轉標定法，文中采用6位占標定方法；磁力計采用六面旋轉的方法進行標定[17-18]。

對傳感器標定后，在實驗室利用二維狀態對電控系統進行了實驗測試，如圖6所示。

保持升降裝置為懸停狀態，設置加速度計和陀螺儀的采集頻率為100 Hz，采樣個數5 000點，并對該懸停數據進行擴展卡爾曼濾波，得到其姿態信息。傳感器數據和姿態角輸出如圖7所示。

圖6 實驗臺與電控系統實物照片

由姿態角輸出數據可以看出升降裝置在懸停狀態下橫滾角、俯仰角和偏航角的偏差基本上控制在0.2°之內，較為真實準確地反映了飛行器在懸停狀態下的姿態信息，能夠滿足實際工程需要。

在實驗室測試的基礎上，為了保證安裝到升降裝置后的電控系統的有效性，對系統進行了第三方檢測，重點測試系統的升降速度和載重量，以便滿足現場使用需求。第三方檢測報告如圖8所示。

根據實際工作情況，在現場對提升絕緣子進行了實驗，驗證了所設計電控系統的有效性。現場實驗如圖9所示。

圖7 姿態角輸出數據

圖8 第三方檢測報告

圖9 現場實驗

5 結論

設計了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動升降裝置電控系統，用于輸電線路檢修過程中的人員與物料輸送。系統硬件采用Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構；軟件采用有限狀態機編程模式與三層嵌入式軟件架構。經過第三方檢測與現場實驗，驗證了電控系統的有效性和可用性，實現了0～24 m/min連續調速，大大提高了物料傳輸效率，降低了操作人員的勞動強度，具有一定的應用價值。