| 标题 | 基于ARM的智能密集架控制系统设计 |
| 范文 | 孔令杨 张向阳 孙成立 摘 要： 为了解决当前密集架控制系统稳定性差、功耗高、操作不便捷等问题，提出一种将ARM处理器与密集架控制系统相结合的方法，设计基于ARM的智能密集架控制系统。该系统采用STM32单片机作为处理器，LCD液晶显示屏实现对数据的显示以及对密集架的操作，利用直流无刷电机来实现架体的运转，各密集架之间采用无线通信的方式实现数据的传输，外围电路则负责对系统状态信息实时检测并反馈给处理器。该系统较比传统密集架控制系统，在稳定性和功耗等各个方面都有很大的改善，具有很好的实用价值。 关键词： 密集架； 智能控制； 直流无刷电机； 无线通信； ARM； STM32单片机 中图分类号： TN876?34； TP273+.5 文献标识码： A 文章编号： 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 SCM0 引 言 近年来，密集架控制系统[1]的出现给社会带来了很大的便捷，不仅可以帮助人们有序地管理和储藏物品，还可以极大地节省储存空间。但是，随着嵌入式技术的普遍应用与发展，人们对密集架系统的要求也越来越高，传统密集架已经不能满足社会的需求。因此，设计一套新型智能化的密集架控制系统显得尤为重要。 目前，密集架控制系统的控制方式主要有三种，即：基于继电器[2]、基于PLC[3]、基于微控制器MCU。其中，基于继电器的控制方式主要利用逻辑控制电路来实现对电气部分的操作，操作简单便捷，但抗干扰能力差；而基于PLC的控制方式是一种以可编程存储器为核心的控制电路，这种控制方式不仅处理速度快，而且抗干扰性强，但是这类控制器价格较为昂贵，不适用于密集架控制系统；基于微控制器MCU的控制方式主要是通过嵌入在控制板中的MCU来实现对整套系统的操作，不管是性能还是价格方面都有一定的优势，这种控制方式在密集架控制系统中发挥了重要的作用。 本文所设计的是一套基于ARM的密集架控制系统[4]，核心芯片采用32位的CortexTM?M3处理器STM32F103ZET6，该处理器具有性能强、功耗低等优点，将这种处理器应用到密集架控制系统可以将它的性能充分地在系统中展现出来。1 系统简介 密集架控制系统是一种嵌入式控制系统[5]，通过控制核心与外围设备的结合实现对密集架的控制。本文所设计的智能密集架控制系統主要分为对控制模块的设计和对外围电路模块的设计。系统总体框图如图1所示。 系统上位机连接一套数据库管理系统[6]，负责对系统信息的有效管理，以及对密集架的操作和密集架状态信息的查询。系统下位机以STM32F103ZET6芯片为核心处理器构成控制模块，多套控制模块组成一套主从控制模块。 主控制模块中，显示与操作模块主要负责显示数据信息以及对密集架系统进行操作；温湿度检测模块与主控制模块相连接，主要负责对系统温度和湿度进行实时检测，并不断将检测到的数据反馈到处理器；系统采用无线通信的方式实现内部信息的传递与交流，不仅可以方便密集架架体的搬运与安装，还可以防止采用有线通信时，长时间运行造成的线路不稳定，提高系统稳定性；电源模块负责输出持续稳定的电压，为控制模块持续提供额定电压，保证其稳定工作。 从控制模块中，电机驱动模块为执行模块，主要负责控制电机的运转，实现密集架架体的运行[7]；各传感器模块包括红外线传感器、压力传感器、接近开关等模块，其目的是在密集架运行的同时实时检测架体之间的状态信息，从而保证在密集架运行时人在架体中的安全，防止出现意外；照明模块负责在密集架打开之时对架体间过道照明，密集架关闭时照明电路自动断电；设置在架体外侧，负责对密集架进行手动操作。该系统稳定性好、功耗低、抗干扰能力强，能够满足现代密集架控制系统的需求。2 系统硬件设计 系统硬件设计主要包括对控制模块的设计、电机驱动模块的设计、无线通信模块的设计。 2.1 控制模块的设计 本文选用的控制芯片为STM32F103ZET6 [8]，其工作频率为72 MHz，内置512 kB的闪存和64 kB的SRAM，工作电压为0～3.6 V，有144个引脚，其中I/O口有112个，可以扩展丰富的外设资源。该芯片处理效率高、功耗低，可以很好地嵌入到各种控制系统，提高系统稳定性。控制模块电路图如图2所示。 图中，复位电路为低电平复位，采用电阻与电容的组合构成上电复位电路，与芯片的RESET端相连，既可以复位MCU，也可以复位LCD；而时钟电路则为系统提供时钟信号，保证系统各个模块的运行能够有一个统一的基准时钟。 本文显示与操作模块采用TFT?LCD液晶显示屏，同时这也是一款触摸屏。其中，LCD的T_MISO，T?MOSI，T_PEN，T_SCK，T_CS分别与STM32F103ZET6芯片的PB2，PF9，PF10，PB1，PF11相连，负责对液晶显示屏的控制；RST端直接与系统的复位电路相连，在复位电路工作时，同时复位MCU和液晶显示屏；另外，将LCD_BL与处理器芯片的PB0端相连，实现对液晶显示屏亮度的调节。 2.2 电机驱动模块的设计 由于密集架架体较重，功率较小的电机不能满足架体的运转需求，所以本文选用24 V、120 W的直流无刷电机[9]，这种电机具有低噪声、无火花、长寿命、体积小等优点。 本文所设计的电机驱动电路中电机的加减速以及停止通过控制器输出的PWM波来控制。这是一种脉宽调制方式[10]，通过改变PWM波的占空比来控制电机工作的时间。电机驱动模块电路图如图3所示。 该驱动电路主要分为三个部分，即：逆变器、电流检测部分和位置检测部分。其中，逆变器主要是由IR2132驱动芯片、3个N沟道MOS管和3个P沟道MOS管组成。N沟道MOS管和P沟道MOS管组成3条控制电路，而由于对直流无刷电机的控制是由3路控制信号（A路、B路、C路）来实现的，所以通过3条控制电路与3路控制信号组合，利用处理器输出6路PWM波，不断地改变各个MOS管的通断状态，可以实现电机控制信号AB，AC，BA，BC，CA，CB的循环导通，从而达到电机的不断运转。同时，通过改变PWM波的占空比，可以改变MOS管导通时间，从而控制电机两端的电压值，达到控速的目的。另外，电路中还添加了过流保护电路，通过检测电路中的电流，并将过流信号输入到Itrip端，即可来完成对电路的过流和直通保护。 2.3 无线通信模块的设计 本文通信模块采用无线通信的方式，核心芯片为NRF24L01，其电路图如图4所示。 图4中：NRF24L01芯片接3.3 V稳压电源，ANT1和ANT2则接一个50 Ω的阻抗匹配网络与天线匹配，CSN为片选线且低电平有效，通过设置CSN端电平高低可以控制芯片是否工作； IRQ为中断信号，是处理器与NRF24L01通信的主要方式，SCK为芯片控制的时钟线，与处理器的时钟相匹配，MISO，MOSI为芯片控制数据线；CE为模式控制线，与CONFIG寄存器共同决定芯片的工作状态，通过改变CE端與寄存器PWR_UP，PRIM_RX的值，可以决定NRF24L01的工作模式，以此保证无线通信模块的收发正常，其主要工作模式如表1所示。3 系统软件设计 3.1 系统总框架软件设计 本文对下位机控制程序的设计，是通过嵌入μC/OS?Ⅱ操作系统来实现的，利用ARM处理器与小型操作系统的结合，将操作系统效率高、可扩展性强等优势充分发挥到控制系统中，实现对系统的智能化操作，其主程序流程图如图5所示。 系统开机后，首先初始化各个模块。初始化后，主从控制模块通过对各辅助模块的反馈信息的处理，将所需要显示的信息分类并通过液晶显示屏显示出来，其中包括整个系统的温湿度状态信息和各个模块的工作状态信息。在显示出状态信息后，系统会判 断温湿度是否超出警戒线，选择是否报警以及通风操作，然后，系统会根据接收到的命令信息对各个移动列进行操作，主要包括外部按键命令、内部系统命令以及传感器信号命令。外部按键操作命令处理的优先级最高，当多种命令同时存在时，优先处理外部按键操作命令，外部按键命令包括密集架间的急停按钮和左右移动按钮。当系统不再接收到按键命令时，则会根据系统命令实现对密集架的操作。密集架运转时，系统会判断是否接收到传感器信号，若接收到，电机会停止运转并对其进行相应的处理，直至不再有传感器信号反馈为止。 3.2 系统操作界面软件设计 本文设计的下位机操作界面如图6所示，系统初始化后，会进入界面首页，用户可在界面上对系统进行状态信息查询、系统设置、数据查询和系统操作，并且用户还可以阅览公告来获取系统信息，操作界面顶部也会不断更新系统CPU使用率、内部温度及时间等信息。 其中，系统操作界面会显示各列目前的工作状态，选择相应列后，系统界面会弹出当前列状态信息与操作按钮窗口，用户可以根据需求对密集架进行开架、闭架、通风等操作。通过对系统操作界面智能化的设计，用户可以轻松完成对密集架控制系统的操作与管理，其操作简单明了、方便快捷，可以很好地实现人机交互。 4 结 语 针对传统密集架控制系统稳定性差、功耗高、操作不便捷等問题，本文构建了基于ARM的智能密集架控制系统。其中，处理器采用STM32F103ZET6芯片，并以此为核心组成控制模块；同时，控制模块与液晶显示屏相结合，通过嵌入μC/OS?Ⅱ操作系统，实现对密集架的智能控制与操作；电机驱动模块采用24 V直流无刷电机，通过PWM波与三相逆变电路的结合，实现对电机的控制；通信模块采用无线通信的方式，可以有效降低系统的损坏程度，方便系统的操作。本文所设计的智能密集架控制系统稳定性强、功耗低、操作便捷，具有很好的实用价值；同时其人性化的设计思路也可适用于其他控制系统，对于其他嵌入式应用系统有很好的借鉴作用。 参考文献 [1] 杨静.国内外智能化控制系统发展态势的研究[J].装备机械，2016（1）：59?64. 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