基于USART_HMI智能串口屏的晶閘管功率組件波形監測設計*

周澤湘，馮伯翰，歐陽明星，徐運武，楊 懿，李韶陽，林 敦

（1.廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126；2.韶關市超力自動化電氣設備有限公司，廣東韶關 512000）

0 引言

原專利產品《晶閘管功率組件》[1]，近年來雖有穩定銷售市場，但因其屬早期技術開發的模擬電流控制調節器，在未來產品競爭中將會逐年失去影響力。劉寺杰等[2]基于HMI 智能串口屏顯示的溫濕度測量系統實現了溫度曲線在串口屏上的動態顯示；李梁京等[3]基于USART_HMI 的空氣質量測量系統的設計實現了空氣質量參數在串口屏上儀表方式顯示；王超等[4]基于單片機數模轉換電路的設計與分析與陳恒江等[5]基于STM32F429 的AD 靜態參數自動測試系統均通過對單片機內部AD 轉換器件編程實現了對輸入信號的模數轉換。綜合以上研究本文運用嵌入式單片機技術、USART_HMI智能串口屏顯示技術、ADC 模數轉換技術等對某企業的專利產品晶閘管功率組件裝置的輸出信號進行實時監測與參數顯示以此提高產品市場競爭力。本文研究主要內容包括：對晶閘管功率組件輸出的被測量信號調理；單片機對被測量信號運算處理；被測量信號實時監測與顯示。

1 硬件電路設計

1.1 晶閘管功率組件信號測量嵌入式系統設計

晶閘管功率組件輸出信號實時監測與顯示系統框圖設計如圖1所示。晶閘管功率組件輸出的關鍵信號（如觸發脈）首先經過信號調理電路將雙極性信號轉換成單極性信號[6]，然后順向輸入到ADC 轉換電路完成模擬信號到數字信號的轉換（本文ADC 轉換使用STM32F407VET6 內置片上外設完成[7]），然后由單片機對數字信號進行運算處理得到被測量信號頻率與幅值參數，最后將信號參數輸出到USART_HMI智能串口屏[8]實現實時監測與顯示。

圖1 晶閘管功率組件信號測量嵌入式系統框圖

1.2 信號調理電路設計及仿真

為了實時監測晶閘管功率組件裝置輸出信號，經變壓器降壓取樣得到3 V 取樣電壓。此信號為雙極性信號，需要將雙極性信號轉換成單極信號才能接入到嵌入式單片機片上外設通道完成A∕D 轉換。信號調理仿真電路設計如圖2所示。

圖2 信號調理仿真電路

U1為電壓跟隨器，使輸入、輸出信號幅值保持不變，且輸入阻抗高、輸出阻抗低，起到現場信號與系統隔離、互不干擾的作用；U2 為電壓偏置電路其同向輸入端接2.5 V直流偏置，U1輸出的V01交流信號疊加在2.5 V直流電源之上抬高了U2+的輸入電壓，從而同步抬高了U2的中點輸出電壓達到了雙極性信號轉單極性的目的。該電路可實現-1.25～+1.25 V到0～2.5 V的極性轉換，計算過程如下：

代入圖2中電阻參數：

整理得:

采用Multisim[9]軟件對該信號調理電路進行仿真驗證結果如圖3所示，示波器雙輸入通道的模式均為“DC 擋位”，從而示波器顯示的波形信號為“交直流量”總和，從圖3中可明確看出調理后的信號上升到“0 點”之上，成功轉換成了單極性信號。

圖3 信號調理電路仿真結果

1.3 頻率測量電路設計及仿真

為了實時測量晶閘管功率組件裝置觸發脈沖的輸出頻率。采用NE555 時鐘器件設計一個施密特觸發器如圖4所示。首先將晶閘管功率組件裝置輸出的信號接入施密特觸發器進行觸發整形轉換為與輸入信號同頻同相的方波，然后將該方波信號接入STM32F407VET6片上外設定時器（TIM）[10]，通過對定時器軟件編程完成對輸入信號頻率測量。施密特觸發器對輸入波形整形仿真結果如圖5所示，結論與理論設計相符。

圖4 施密特觸發器仿真電路

圖5 施密特觸發器波形整形仿真結果

1.4 主控單片機選型

目前ST 主流嵌入式單片機片上外設豐富，利用其TIM 外設可方便地完成對信號的頻率進行測量；利用A∕D 外設，可方便完成模數轉換。ST公司基于ARM 內核在keil 軟件平臺上構建了ST 系列單片機片上外設硬件庫函數，為C 語言便捷編程提供豐富函數。因此本文選用STM32F407VET6做為主控單片機。其最小系統如圖6所示。

圖6 STM32F407VET6最小系統及A∕D接口電路

1.5 片上A/D轉換電路

STM32F407VET6A∕D 是12位ADC 是逐次趨近型模數轉換器。它具有多達19個復用通道，可測量來自16個外部源、兩個內部源和VBAT 通道的信號。這些通道的A∕D轉換可在單次、連續、掃描或不連續采樣模式下進行。ADC 的結果存儲在一個左對齊或右對齊的16位數據寄存器[11]。A∕D硬件電路設計如圖6所示，晶閘管功率組件裝置輸出的觸發脈沖從STM32F407VET6 PA5（ADC1）輸入。

借助keil 軟件調用ST 公司STM32F4 系統庫函數完成A∕D片上外設軟件編程，步驟如下：（1）開啟PA口時鐘和ADC時鐘，設置PA1為模擬輸入；（2）復位ADC并設置分頻因子；（3）初始化ADC，設置ADC的工作模式、規則序列等；（4）使能A∕D轉換器和校準設置；（5）讀取ADC值。

1.6 片上TIM轉換電路

使用STM32F407VET6定時實現輸入法信號的脈沖寬度測量，通過軟件得到信號的頻率與周期。調用ST公司STM32F4 系統庫函數完成TIM 片上外設軟件編程，步驟如下：（1）時鐘使能；（2）配置預分頻、自動重裝值和重復計數值；（3）清除中斷標志位；（4）使能TIM 中斷，選擇中斷源；（5）設置中斷優先級；（6）使能TIM外設。

1.7 串口屏硬件電路設計

USART-HMI“人機交互顯示方案”和“串口人機交互顯示模組[12]（USART-HMI Display Module）在嵌入式領域得到了廣泛的使用。USART-HMI 智能串口屏采用DC5V 供電，通過串口通信與CPU 主控模塊連接。此串口屏的內部功能強大，具有多種組態控件：按鈕控件、進度條控件、文本控件、指針控件等。首先，在運行中MCU 通過串口指令改變控件的屬性就可以改變屏幕上顯示的內容，例如可通過串口發送或寫入數據對頁面ID、字符內容、文本控件屬性等進行修改；其次，此串口屏不占用太多CPU 資源，因為大多數需要界面顯示的內容是通過屏幕本身的處理器實現的，因此MCU 只用發送指令，而不需要編寫相關的驅動程序；再次，屏幕廠家提供的上位機軟件簡單易用，通過圖形化的方式就可以對人機界面的布局和大多數的邏輯（比如界面背景，按鈕效果，文本顯示等）進行設置通過USART-HMI 軟件可高效便捷實現多應用領域下的人機交互顯示方案編程十分便捷和高效。HMI 智能串口屏通過串口中斷收、發數據，實時性強，且不會因為刷新界面而產生數據丟包等問題。如圖7所示該模組采用串口通信，其簡潔的硬件電路設計，節約大量單片機I∕O資源。

圖7 USART-HMI接口電路

2 可編程串口屏軟件設計流程

本文采用USARTHMI 軟件，使用AT 指令，依據流程圖8設計了如圖9所示的開機啟動動感頁面；波形數量實時顯示頁面；電壓、電流儀顯示頁。

圖8 流程圖

圖9 串口屏顯示頁面

3 系統測試結果

經過軟件編程hex 文件下載，通過信號發生器為樣機輸入50 Hz、1 VPP方波（占控比可調）。圖10所示為本文研制樣品機監測的方波顯示信號。在今后的研究過程中還需要進一步完善信號頻率與幅度值的顯示。

圖10 樣機監測結果

4 結束語

本文提出基于USART_HMI智能串口屏實現晶閘管功率組件波形實時監測顯示方案。借助Multisim和proteus軟件仿真完成外圍信號調理電路硬件電路設計。通過對STM32F407VET6單機片與USART-HM液晶編程可靠實現了對晶閘管功率組件原裝置進行人機交互及波形實時監測顯示功能升級。樣機試制較原產品功能得到極大提升，串口液晶屏實現了開機動畫顯示。人機交互對話導航良好，實時監測波形與數據顯示清晰，樣機滿足企業功能需求。