基于STM32的氣液壓力裝置定時充排系統(tǒng)設計

王子權， 黃 巍， 林穎杰， 胡晶晶， 徐佳加， 沈秀峰， 沈逸俊

(上海衛(wèi)星裝備研究所, 上海 200240)

引言

液壓與氣動裝置在重型機械、電液伺服系統(tǒng)、泵氣站中均有應用[1-3]。在實際工程實踐中，有些裝置需要做具有一定規(guī)律性的定時充排任務，所以關于自動定時充排裝置的研究與設計對某些液壓與氣動裝置的改進具有積極的推動作用。目前，針對液壓與氣動系統(tǒng)的研究主要集中在運動、動力與伺服控制中[4-5]。GALITSKOV等[6]對液壓缸工作機構自動控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)精度提出了嚴格的要求，并使用經典PID控制器確保對已知不確定性的魯棒性。曹昌勇等[7-8]采用差分進化優(yōu)化算法對電液伺服系統(tǒng)滑模控制模型數進行了仿真優(yōu)化，得到了較好的位置跟蹤精度及消抖效果。以上研究成果豐碩，但對某些液壓與氣動裝置的定時充排系統(tǒng)的研究、設計與制作等較少。李潔潔[9]進一步簡化了基于拉格朗日插值濾波算法的Farrow結構，采用無鎖相環(huán)數字開環(huán)結構，提高了衛(wèi)星接收機的定時定位速率。陳偉剛[10]分析了現有定時任務調度方法存在的問題，提出生產者、消費者設計模式進行分布式定時系統(tǒng)架構設計，結果表明系統(tǒng)能夠滿足基本定時任務業(yè)務需求，同時還具備負載均衡、任務重啟等新特性。在自動控制領域，采用微控制器進行自動化裝置的研究與設計是目前的主流趨勢[11-13]。STM32微處理器以其便捷的開發(fā)特性和高效的處理性能越來越多地應用到各種自動控制裝置的設計和制作中[14-15]。

本研究針對某設備實際需求，基于STM32微處理器設計制作了一種氣液壓力裝置定時充排系統(tǒng)，移植UCOSIII操作系統(tǒng)實現多任務并行處理，設計兩種定時邏輯和定時模式，通過外部存儲器實現重要數據的讀寫，通過emWIN圖形設計程序與液晶觸摸屏實現系統(tǒng)桌面與其他界面的顯示和操作，以使系統(tǒng)在某些液壓與氣壓裝置中得到良好的應用。

圖1 裝置的系統(tǒng)硬件整體組成

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 整體組成

系統(tǒng)硬件整體組成如圖1所示，圖中STM32微處理器型號為STM32F103RCT6，單片機電源為標準的USB 5 V電源，需配置一個降壓穩(wěn)壓模塊為STM32微處理器提供3.3 V穩(wěn)壓直流電源。系統(tǒng)運行LED用于指示系統(tǒng)已經供電，通電時為常亮狀態(tài)。蜂鳴器為有源蜂鳴器，用于在觸摸屏控件被按下時鳴響。SWD下載模塊用于實現對單片機的高速下載與仿真，節(jié)約開發(fā)時間和及時糾錯。液晶與觸摸模塊包括液晶顯示器和電阻式觸摸屏兩部分， 屏幕分辨率為320×240 px。

外部晶振包括1個8 MHz高速外部晶振和1個32.768 kHz低速外部晶振。USB轉串口模塊可實現對單片機的程序燒寫與供電，可代替單片機電源。復位電路實現單片機的復位，系統(tǒng)重新啟動工作。外部存儲器型號為W25Q64的8 M FLASH 存儲器，用于存儲系統(tǒng)所需的必要數據和系統(tǒng)設置的數據。

由于電磁閥需在較高功率下工作，為了不影響單片機的正常工作，配置電磁閥驅動電源為12 V，4 A的獨立電源，通過接線端子組與電磁閥連接。三極管組與繼電器組連接，以實現保護繼電器線圈的功能，同時與LED指示組連接，以實現在相對應繼電器開啟時點亮的功能。繼電器組與接線端子組連接，以隔離單片機電源和電磁閥驅動電源。

1.2 繼電器組

如圖2所示，包含了一對充排繼電器電路，其中充繼電器連接單片機的PC2引腳，通過1個2 kΩ的直插電阻與三極管Q4的基極連接。以U4繼電器為例，其工作原理為：當PC2為低電平時，三極管Q4導通，繼電器線圈通電，此時繼電器的key2引腳接通12 V電源的正極，接線端子J2與繼電器的key2連接，因此繼電器線圈通電時，接線端子組成1個12 V電源的正極與負極，從而可為電磁閥供電；繼電器在不通電狀態(tài)下，key1端口始終與12 V電源正極端口VIA1和VIA2連接。同理，排繼電器連接單片機的PC3引腳，系統(tǒng)設計了2對充排繼電器對，分別連接單片機的PC2，PC3，PA2和PA3引腳，組成4路雙對通道繼電器組。

圖2 充排繼電器對

1.3 W25Q64外部FLASH存儲器

W25Q64是使用SPI通信協議的NOR FLASH存儲器，其連接電路如圖3所示。芯片的寫保護引腳(WP)與3.3 V高電平連接，表示不進行寫保護。片選引腳(CS)與單片機的PA4引腳連接，并通過1個4.7 kΩ的上拉電阻與3.3 V高電平連接，保證片選引腳的電平狀態(tài)讀取準確。SPI協議的時鐘引腳(CLK)與單片機的PA5引腳連接，用于模擬SPI總線時鐘。數據輸入端口(DIO，MOSI)和輸出端口(DO，MISO)分別與單片機的PA7和PA6連接，用于對數據信號的模擬。

圖3 W25Q64連接電路

1.4 SWD下載與仿真電路

采用20個引腳的SWD下載與仿真電路，如圖4所示。SWD下載與仿真遵循ARM公司的CMSIS-DAP標準，可通過軟件開發(fā)環(huán)境Keil直接與單片機連接，在Keil的選項設置中必須使用CMSIS-DAP Debugger。其中NTRST、TDI、TMS和TDO引腳分別與單片機的PB4、PA15、TMS、TCK和PB3引腳連接，并通過1個10 kΩ電阻與3.3 V高電平連接，保證對引腳的電平狀態(tài)讀取準確。

圖4 20針SWD下載與仿真電路

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)程序整體流程

系統(tǒng)程序整體流程如圖5所示，系統(tǒng)啟動時首先對系統(tǒng)進行初始化。操作系統(tǒng)啟動時進行系統(tǒng)任務的創(chuàng)建，系統(tǒng)任務包括：系統(tǒng)任務啟動任務(start_task，用于創(chuàng)建其他系統(tǒng)任務)、系統(tǒng)工作LED指示任務(led0_task，用于指示系統(tǒng)正在工作)、充任務(C_task，用于執(zhí)行充任務函數)、排任務(P_task，用于執(zhí)行排任務函數)、手動操作任務(M_task，用于執(zhí)行手動操作任務函數)、觸摸屏刷新任務(touch_task，用于刷新觸摸屏)、系統(tǒng)界面顯示任務(emwin_task，用于顯示系統(tǒng)桌面圖標與控件等)。其中，系統(tǒng)任務啟動任務start_task執(zhí)行完畢后掛起。觸摸屏刷新任務touch_task和系統(tǒng)界面顯示任務emwin_task共同完成對觸摸組件的顯示與刷新等。通過GUI人機交互界面的圖標控件，點擊進入界面系統(tǒng)，界面系統(tǒng)中包括屏幕校準界面(Calibrate)、監(jiān)視器界面(Monitor)、系統(tǒng)設置界面(Settings)、手動操作界面(Manual)、關于系統(tǒng)界面(About)，進入不同界面可完成不同的規(guī)定任務，各界面通過調用底層的任務函數執(zhí)行各自的程序，通過內部及外部存儲器完成數據共享。

圖5 系統(tǒng)程序整體流程

2.2 W25Q64外部存儲器地址分配

對W25Q64的3組存儲區(qū)進行分配，保存觸摸屏校準數據的地址從0×4096開始，至1×4096-1結束，地址首字節(jié)保存觸摸屏校準數據是否已經保存標志寄存器CALADD_FLAG，當其值為0×55時，表明屏幕校準數據已經保存到外部存儲器中，屏幕校準數據包括X向校準數據和Y向校準數據；保存系統(tǒng)設置數據的地址從1×4096開始，至2×4096-1結束。地址首字節(jié)保存系統(tǒng)設置數據是否已經保存標志寄存器CALADDFORSETTINGS_FLAG，當其值為0×55時，表明系統(tǒng)設置數據已經保存到外部存儲器中。系統(tǒng)設置數據包括定時周期、定時充排時間、循環(huán)次數、定時模式。保存手動操作的數據的地址從2×4096開始，至3×4096-1結束，地址首字節(jié)保存手動操作數據是否已經保存標志寄存器MANUALADD_FLAG，當其值為0×55時，表明手動操作數據已經保存到外部存儲器中，手動操作數據包括定時天數、小時數和分鐘數。外部存儲器的其他地址分配有關的字體庫、圖片和圖標庫等。

2.3 系統(tǒng)完成充排任務的定時模式設計

設計系統(tǒng)的定時充排時間To相等，一個充排周期時間為T。如圖6所示，定義了兩種定時模式：定時模式0和定時模式1，可知t2=2×t1。其中定時模式0為高壓模式，其充排電磁閥開關邏輯為：

0～t1，排電磁閥開啟，充電磁閥關閉，裝置中介質排出，在t1時刻瞬間充排電磁閥交換狀態(tài)；

t1～t2，排電磁閥關閉，充電磁閥開啟，裝置中介質流入，在t2時刻瞬間充排電磁閥均為關閉狀態(tài)；

t2～t3，排電磁閥關閉，充電磁閥關閉，裝置中介質保持高壓，在t3時刻系統(tǒng)進入下一周期。

因此，定時模式0在每一個周期中，當排電磁閥關閉瞬間，充電磁閥則開啟，使得裝置總是在排完介質后即刻補充介質，且在t2時間后的部分周期時間里保持高壓狀態(tài)不變，直至進入下一周期。

圖6 定時模式隨周期時間的開關邏輯

定時模式1為低壓模式，電磁閥開關邏輯為：

0～t1，排電磁閥開啟，充電磁閥關閉，裝置中介質排出，在t1時刻瞬間排電磁閥變?yōu)殛P閉狀態(tài)，充電磁閥依然處于關閉狀態(tài)；

t1～t2，排電磁閥關閉，充電磁閥關閉，裝置中介質無出入，充排電磁閥均為關閉狀態(tài)，裝置中介質保持低壓；

t2～t3，排電磁閥關閉，充電磁閥開啟，裝置中介質流入，在t3時刻系統(tǒng)進入下一周期。

因此，定時模式1在每一個周期中，當排電磁閥關閉瞬間，充電磁閥依然關閉，使得裝置總是在排完介質后不補充介質。在t1～t2時間內保持低壓狀態(tài)不變；t2時刻，排電磁閥關閉，充電磁閥開啟；在定時充完后的t3時刻，排電磁閥即刻開啟，系統(tǒng)進入下一循環(huán)。

2.4 系統(tǒng)完成定時充排任務的軟件邏輯設計

根據定時模式的設計，定義四種全局變量：當前充狀態(tài)時間，int CURRENT_TIMEC；當前排狀態(tài)時間，int CURRENT_TIMEP；當前循環(huán)次數，uint_fast8_t CURRENT_CYCLENUM；手動操作開關變量，uint_fast8_t MANUAL_START。

根據設計的定時模式隨周期時間的開關邏輯，可知充任務的執(zhí)行較為復雜。因此以充任務程序設計為例，進行定時充任務的軟件邏輯設計，如圖7所示。程序為一個隨PC指針切換運行的操作系統(tǒng)任務，從任務函數入口進入任務主程序。

在主程序中，首先判斷系統(tǒng)是否進入手動操作模式，如果進入手動操作模式，則進行系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度，且循環(huán)執(zhí)行；如果沒有進入手動操作模式，則進行循環(huán)次數是否達到設定循環(huán)次數的判斷，如果達到設定循環(huán)次數，則進行手動操作模式判斷，若為手動操作則進行排電磁閥開、充電磁閥關(RELAYP_ON; RELAYC_OFF)程序塊代碼的運行，此時排電磁閥開，充電磁閥關，進行當前排狀態(tài)時間=定時周期、當前充狀態(tài)時間=定時周期(CURRENT_TIMEP=T; CURRENT_TIMEC=T)程序塊代碼的運行，將設定的定時周期時間賦值當前充排狀態(tài)時間，并進行可發(fā)起任務調度的1 s系統(tǒng)延時，再次進行手動操作模式的判斷；若不是手動操作模式，則進行排電磁閥關、充電磁閥開(RELAYP_OFF; RELAYC_ON)程序塊代碼的運行，此時排電磁閥關，充電磁閥關，進行當前排狀態(tài)時間=定時周期、當前充狀態(tài)時間=定時周期(CURRENT_TIMEP=T; CURRENT_TIMEC=T)程序代碼的運行，并進行可發(fā)起任務調度的1 s系統(tǒng)延時，再次進行手動操作模式的判斷；如果沒有達到設定循環(huán)次數，則進行定時模式的判斷，若為定時模式1，則判斷當前充狀態(tài)時間是否小于T-t1，若小于，則依次進行充電磁閥關(RELAYC_OFF)和系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度(OSTIMEDLY (1000u))程序塊代碼的運行，當前充狀態(tài)時間CURRENT_TIMEC加1，因此即可完成當前充狀態(tài)時間每秒累加一次的目的；若大于，則進行當前充狀態(tài)時間是否小于T的判斷，若小于，則依次進行充電磁閥開(RELAYC_ON)和系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度(OSTIMEDLY(1000u))程序代碼的運行，當前充狀態(tài)時間加1；若大于，則將當前充狀態(tài)時間清零，執(zhí)行CURRENT_CYCLENUM加1的操作，程序重新執(zhí)行到任務函數入口；若為定時模式0，則判斷當前充狀態(tài)時間是否小于t1，若小于，則依次執(zhí)行充電磁閥關(RELAYC_OFF)和系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度(OSTIMEDLY(1000u))程序塊的運行，當前充狀態(tài)時間加1；若大于，則判斷當前充狀態(tài)時間是否小于2×t1，若小于，則依次執(zhí)行充電磁閥開(RELAYC_ON)和系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度(OSTIMEDLY(1000u))程序的運行，當前充狀態(tài)時間加1；若大于，則判斷當前充狀態(tài)時間是否小于T，若小于，則依次執(zhí)行充電磁閥關(RELAYC_OFF)和系統(tǒng)延時1 s并發(fā)起任務調度(OSTIMEDLY(1000u))程序塊的運行，當前充狀態(tài)時間加1；若大于，則將當前充狀態(tài)時間清零，程序重新執(zhí)行到任務函數入口。

圖7 定時充任務軟件邏輯

2.5 系統(tǒng)界面設計

根據設計需求與目的，設計的系統(tǒng)界面包括：系統(tǒng)桌面(Desktop)、屏幕校準界面(Calibrate)、監(jiān)視器界面(Monitor)、系統(tǒng)設置界面(Settings)、手動操作界面(Manual)、關于系統(tǒng)界面(About)，共6個界面。其中，系統(tǒng)桌面、監(jiān)視器界面、系統(tǒng)設置界面、手動操作界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的部分界面設計

界面的操作邏輯如下：

(1) 從桌面進入各個子界面，觸摸屏校準數據保存在W25Q64外部存儲器中，系統(tǒng)開機首先讀取觸摸屏校準數據，若外部存儲器中無觸摸屏校準數據，則在開機時自動進入屏幕校準程序;

(2) 系統(tǒng)設置的數據保存在W25Q64外部存儲器中，若存儲器中無系統(tǒng)設置數據，默認定時周期為20 min，充排閥為開狀態(tài)的定時時間為5 min，循環(huán)次數為30次，并將數據保存到設計的存儲區(qū);

(3) 系統(tǒng)設置有2個模式，模式0為高壓模式，即充排電磁閥都關閉時，容器為高壓，介質量大；模式1為低壓模式，即充排電磁閥都關閉時，容器有為低壓，介質量小;

(4) 通過滑塊控件進行定時周期、循環(huán)次數、充排定時時間、定時模式、定時天數、定時小時數和定時分鐘數的設置，它們的最大值分別是30 min，50次，8 min，1，3 d，24 h，60 min;

(5) 在系統(tǒng)設置界面中，通過DONE按鈕確定系統(tǒng)數據已經設置完畢，通過返回按鈕則不進行數據保存，數據仍為上一次設置的數據;

(6) 通過監(jiān)控界面的RESTART CYCLE按鈕啟動充排閥定時程序，在程序進行的任何時間，均可通過該按鈕重啟循環(huán)，若重啟循環(huán)，則循環(huán)次數自動清零，再次逐漸增加;

(7) 進入手動操作界面時，充排閥均關閉，通過START按鈕啟動排任務定時，通過BACK按鈕返回桌面，返回桌面時，充排閥均關閉。

3 系統(tǒng)實驗與調試

主要進行兩方面的實驗與調試：系統(tǒng)定時充排過程檢驗和手動操作定時排過程檢驗。設定定時模式為高壓模式，系統(tǒng)定時充排過程檢驗設定定時充排周期為10 min，充排時間為5 min，設定循環(huán)次數為3次；手動操作定時排過程檢驗設定時間為0，1 h，56 min。得到的定時充排過程實驗結果如圖9所示，圖中C表示充電磁閥狀態(tài)，P表示排電磁閥狀態(tài)。可知，在運行的3個周期里，充排電磁閥狀態(tài)實現了相應規(guī)律的變化，在排電磁閥開啟時，充電磁閥關閉，在排電磁閥關閉時，充電磁閥開啟，達到了設計預期。

圖9 系統(tǒng)定時充排過程實驗結果

手動操作定時排過程檢驗結果如圖10所示，可知在手動操作啟動后的116 min里排電磁閥保持為開狀態(tài)，而充電磁閥保持關閉，在到達定時時間瞬間，排電磁閥關閉，且充電磁閥依然保持關閉狀態(tài)，達到了手動操作只有排過程，沒有充過程的設計目的，在排過程完畢后，充排兩電磁閥均關閉。

圖10 手動操作排過程實驗結果

4 結論

基于STM32微處理器設計制作了一種4路雙對通道定循環(huán)次數氣液壓力裝置定時充排系統(tǒng)。進行了硬件設計和軟件設計，設計了兩種定時模式和6個系統(tǒng)操作界面，設計了定時模式的開關邏輯與軟件設計邏輯，介紹了人機界面的操作邏輯，通過系統(tǒng)定時充排過程檢驗和手動操作定時排過程檢驗，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，可應用于多種氣液壓力裝置的介質定時充排中。