基于STM32的電驅動挖掘機無線傳輸控制系統

摘要：實現遠程化自主作業是智能化電驅動挖掘機的基本要求。將無線傳輸技術、人機交互技術以及電驅動挖掘機進行結合，是目前電驅動挖掘機發展的一個主要研究方向。文章使用STM32作為系統的主控芯片，對電驅動挖掘機的所有數據進行實時獲取，同時挖掘機采集數據以及控制數據可以實現無線雙向傳輸，成功實現各項功能，滿足各項基本要求，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：電驅動挖掘機；STM32；無線傳輸

中圖分類號：TP2

文獻標志碼：A

0 引言

挖掘機在工程建設、礦區開采、搶險救災等領域發揮著舉足輕重的作用。在銷量方面，連續6年正增長，僅僅是從2016年到2020年4年間挖掘機的銷量就已經增加了十幾萬臺^［1］。電驅動挖掘機的智能化程度比較高，所以對于遠程化控制、自主作業的操作可以輕易做到。由于其優異的特性，目前電驅動挖掘機在礦山、工地、抗震救災等十分危險的工作環境作業受到了青睞。同時，電驅動挖掘機完全摒棄了傳統的化石能源，由電力驅動，能源利用率高，實現零排放，具有低噪音、節能環保等優點，完全符合機械智能綠色發展的要求。隨著中國制造2025年道路建設規劃的實施和“一帶一路”建設的規劃^［2］，碳中和政策的逐漸落實^［3-4］，電驅動挖掘機將擁有更加廣闊的應用場景。

1 系統總體方案設計

1.1 系統需求分析

挖掘作業現場通常環境惡劣且危險，操作人員作業時，常感受到強烈的震動以及刺耳的噪聲，惡劣危險的環境將大大提高操作人員現場作業時的勞動強度。將遠程遙控技術、人機交互技術與電驅動挖掘機相結合，是一種行之有效的解決方案，可有效降低操作人員的勞動強度以及保證其人身安全^［5］。

1.2 系統總體結構設計

該無線遠程控制系統主要由作業控制系統和電源模塊控制系統兩部分組成。中央控制器都采用STM32控制芯片，通過擴展功能電路實現所需的控制需求。

為了滿足電驅動挖掘機遠控作業數據收發的實時性，無線通信部分就必須支持全雙工模式，所以采用了ZigBee無線信號模塊，以實現作業和電源控制模塊之間的工作參數和控制指令的雙向穩定傳輸。整個系統的設計方案如圖1所示。

2 系統的硬件設計

本次設計的主控制器采用的是STM32F103ZET6單片機。

2.1 模擬量輸入電路

遠程作業操作裝置使用德國S+B品牌的霍爾型主令手柄。為了實現主令手柄的高精度調速信號讀取，在ADS1256芯片基礎上設計了24位的高精度數模轉換電路。數模轉換模塊和穩定電壓電路的設計如圖2所示，可以實現主令手柄信號的采集。

2.2 模擬量輸出電路

本地作業系統驅動變頻器的調速方式有兩種：多段速調速和無級調速。多段速調速方式每段速度之間有較大的差距，十分影響電驅動挖掘機作業的效率，所以一般情況下都是采用無級調速的方式。本地控制器接收到遠程發送來的調速信號后需要將其轉換成模擬信號來對變頻器進行調速，所以在AD5676芯片基礎上設計了16位高精度模數轉換電路，通過AD8532放大器將輸出電壓轉換成標準模擬量電壓，在電壓兩端接入電阻，從而實現4～20 mA電流信號的輸出。模數轉換模塊的設計如圖3所示。

2.3 RS232串口電路

視頻監控電腦主機通信接口形式為DB-9九針形式，其通信協議為RS232協議，但是STM32主機輸出形式為小于1.2 V是低電平，大于10.8 V是高電平，而RS232接口中-3～-15 V是高電平，+3～+15 V是低電平，兩者電平判斷標準不一致，無法直接通信，所以需要設計一個邏輯轉換回路。在本系統中選用了Prolific公司的PL2303接口轉換芯片。PL2303可以將ZigBee模塊發送過來的USB接口數據轉換成RS232通信格式再傳給監控電腦。監控電腦通過VGA接口在屏幕顯現出作業車輛前端的實時監控畫面。

在設計上利用0.1 μF的電容對芯片3.3 V的電源進行濾波處理，TXD和RXD分別是串行數據的輸出和輸入接口，DP和DM是USB信號的輸入和輸出。通信接口轉換模塊的設計如圖4所示。

2.4 Modbus通信電路

驅動變頻器的電壓、電流等運行參數通過RS485接口發送給作業系統本地控制器上，在本系統設計中選用了Prolific公司的SP3485接口轉換芯片。DE和RE引腳是信號發送和接收的使能端口，SP3485只能實現半雙工模式的通信，所以需要通過時鐘信號來觸發使能信號以控制數據的輪流收和發。在A引腳上接一個上拉電阻，將電路電壓提高到3.3 V，同時在B引腳上也連接一個和GND相連的下拉電阻以減少干擾。在A引腳和B引腳之間設計了120 Ω的匹配電阻，可以吸收長距離通信時匹配總線的特性阻抗，減少信號放射，使得正常的傳輸信號無毛刺，提高信號質量。通信接口轉換模塊的設計如圖5所示。

3 系統的軟件設計

3.1 軟件設計

在本系統設計中，軟件開發采用Proteus和keil 5軟件以及C語言編程。采用模塊化思維，每個模塊的功能首先單獨實現，然后通過集成功能模塊進行集成。

在考慮了系統控制邏輯后，設計的遠程電源控制模塊程序流程如圖6所示。系統每次上電的第一個掃描周期都需要進行初始化，將程序中間寄存器參數清零。完成初始化后檢測ZigBee收發的握手信號是否中斷，如果發生了中斷，系統自動從正在執行的數據收發程序跳轉到中斷程序。中斷類型有3種，分別是Modbus通信掉線、故障信號中斷和無線通信鏈路中斷，前兩者中斷不影響系統的安全性，在發生信號中斷后會以相應的數據形式反饋給主程序，而發生無線通信鏈路中斷時，則會立即執行啟停控制繼電器的停機動作，并切斷手柄的輸出信號。如果信號傳輸正常，則數據按照主程序正常的模式進行收發，由于主令手柄控制信號需要對電驅動挖掘機進行實時控制，所以程序的刷新周期需要設置成10 ms。

作業控制程序和遠程電源控制模塊一致，都是采用主程序循環+中斷的運行模式。主程序在運行過程中不斷地檢測時有中斷條件發生。當控制器接收到遠程發送過來的啟停信號時，進入中斷程序，將啟停信號分別以0x25和0x26兩種指令保存至發送數據幀中，同主程序一并發送給電源控制模塊產生電源控制模塊的動作中斷。同樣，當作業端控制器檢測到發生無線通信鏈路中斷時，則會立即執行啟停控制繼電器的停機動作，并切斷變頻器的調速給定信號。作業控制程序流程如圖7所示。

3.2 數據處理與無線通信設計

ZigBee技術是ZigBee聯盟基于低功耗、低成本、全雙工的目標推出的一種通信協議，主要作為嵌入式設備的通信協議，廣泛用于電子設備、智能家居、自動化。

在本系統通信程序設計時，進行無線傳輸需要保證每一個數據的首位和末尾都有校驗位，當校驗均正確時，才開始處理數據，從而保證數據傳輸的正確性。

4 結語

本文結合網絡通信、計算機和機械電子等技術的相關理論知識，基于STM32這一微處理器，將嵌入式系統開發技術和ZigBee技術實現組合應用，這樣保證了在進行挖掘相關作業時，挖掘機采集的相關信號可以實現數據的雙向通信，同時在保證工作不間斷的情況之下，數據的丟幀率也會降低至1%的水平之下，當檢測到系統未能接收到信號時，通過軟件過濾無用幀數據，平均反應時間控制在1 ms以內。電驅動挖掘機的無線遠控系統可以應用于各種場合，對工業機械設備的智能化升級具有重大意義。

參考文獻

［1］佚名.工程機械行業“十四五”發展規劃正式發布［J］.建設機械技術與管理，2021（4）：4.

［2］溫時豪.基于無線通信的電驅動挖掘機遠程遙控及監測系統設計［D］.廈門：華僑大學，2020.

［3］蘇子孟.中國制造2025加快工程機械轉型升級［J.金屬加工（熱加工），2016（2）：10-11.

［4］王燦，張雅欣.碳中和愿景的實現路徑與政策體系［J］.中國環境管理，2020（6）：58-64.

［5］郭輝，劉立祥.工程機械行業5G移動通信技術應用探索［J］.中國工業和信息化，2020（8）：52-58.

（編輯 王永超）

Wireless transmission control system for electric driven excavators based on STM32

Li Kaiqiang， Shi Yuyu， Yu Zhihua

（Qingdao Branch， Caterpillar Ramp;D Center （China） Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract： Realizing remote autonomous operation is the basic requirement of intelligent electric-driven excavators. The combination of wireless transmission technology， human-computer interaction technology and electric-driven excavator is one of the main research directions in the development of electric-driven excavator. STM32 is used as the main control chip of the system to acquire all the data of the electric driven excavator in real time. At the same time， the data collection and control data of the excavator can realize the wireless two-way transmission， which successfully realizes various functions and meets the basic requirements， and has a wide application prospect.

Key words： electric excavator; STM32; wireless transmission