基于SI4463的車(chē)床安全保護控制器的設計與實(shí)現

摘要：為了解決針對普通車(chē)床缺乏安全保護裝置，在車(chē)削加工中易出現安全事故的問(wèn)題，本文對機床的安全保護缺陷進(jìn)行了研究，提出了采用基于SI4463芯片的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和雙MCU控制方法，設計并實(shí)現了安全保護控制器。該控制器通過(guò)安裝在車(chē)床相關(guān)位置的檢測元件測得的狀態(tài)數據，控制車(chē)床主電機和快進(jìn)電機狀態(tài)，避免發(fā)生事故。車(chē)床安全保護控制器可以單機脫機工作，可以通過(guò)應用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與上位機聯(lián)機工作，也可以實(shí)現多臺車(chē)床的遠程集群控制。

引言

　　普通車(chē)床缺乏安全保護裝置，但工作時(shí)處于高速旋轉狀態(tài)。在使用過(guò)程中，特別是在車(chē)削加工教學(xué)實(shí)訓中，由于初學(xué)者的疏忽，很容易出現安全事故，帶來(lái)財產(chǎn)和人身?yè)p害。為此，我們針對實(shí)際問(wèn)題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普通車(chē)床多功能安全保護集成控制裝置。該裝置實(shí)現了對普通車(chē)床機群(多臺車(chē)床)工作狀態(tài)顯示、集中控制和單臺車(chē)床安全工作保護。該裝置可實(shí)現4種保護：(1)卡盤(pán)扳手未取出安全故障保護;(2)刀架與卡盤(pán)相撞安全保護;(3)溜板箱與尾座相撞安全保護;(4)螺紋加工與光軸加工的互鎖功能保護。該裝置的設計按照物聯(lián)網(wǎng)體系結構的三個(gè)層次進(jìn)行^[1]：(1)感知層，本系統采用行程開(kāi)關(guān)和磁性開(kāi)關(guān)對每臺車(chē)床的扳手的位置、縱向行程情況、絲桿狀態(tài)和主螺母狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測到的信息送到每臺控制器，控制器對主電機和快進(jìn)電機發(fā)出命令，控制器與上位機通過(guò)短距離無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行信息交換，并執行上位機發(fā)出的控制命令;(2)網(wǎng)絡(luò )層，利用互聯(lián)網(wǎng)和3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，計算機客戶(hù)端和手機客戶(hù)端對本裝置進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和操作;(3)應用層，采用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的應用軟件系統完成系統訪(fǎng)問(wèn)、狀態(tài)查看、現場(chǎng)控制等功能。

　　本文在此對其中的安全保護控制器部分設計和實(shí)現情況進(jìn)行介紹。

1 整體設計

　　本控制器采用了兩片MCU(微控制單元)芯片，由主控模塊、無(wú)線(xiàn)串口模塊、液晶顯示、LED指示、矩陣鍵盤(pán)、光電隔離等部分構成，如圖1所示。

　　該普通車(chē)床多功能安全保護集成控制裝置系統使用PC機作上位機，上位機通過(guò)串行總線(xiàn)USB(Universal Serial Bus)接口經(jīng)USB接口芯片和無(wú)線(xiàn)串口模塊連接，與安裝在每臺車(chē)床的控制器通信，實(shí)現將車(chē)床相應位置檢測的元件輸出的開(kāi)關(guān)信號轉換為電平信號送到主控MCU1，主控MCU1根據檢測信號送出相應的電平信號，經(jīng)光電隔離模塊控制繼電器，從而允許車(chē)床主電機和快進(jìn)電機啟動(dòng)或停止。同時(shí)，主控MCU1控制LCD液晶顯示模塊顯示出相應的狀態(tài)信息，并且控制LED發(fā)光二極管作狀態(tài)指示。主控MCU1也可根據上位機的命令輸出主電機和快進(jìn)電機的控制信號，主控MCU1通過(guò)無(wú)線(xiàn)串口模塊與上位機實(shí)現短距離無(wú)線(xiàn)通信。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

　　主控MCU1選用STC12C5A60S2單片機，該單片機是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號片上系統MCU，該芯片FLASH內存可實(shí)現ISP/ISA系統可編程/在線(xiàn)應用可編程。STC12C5A60S2主要性能^[2]：

　　(1)高速：1個(gè)時(shí)鐘/機器周期，速度比普通MCS-51單片機快8~12倍;

　　(2)寬電壓范圍：3.3V~5.5V，2.2V~3.6V;

　　(3)低功耗設計：掉電模式(可由外部中斷喚醒)可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒;

　　(4)增加外部掉電檢測電路，可在掉電時(shí)及時(shí)將數據保存在EPROM;

　　(5)工作頻率：0MHz~35MHz，相當于普通MCS-51單片機的0MHz~420MHz;

　　(6)每個(gè)I/O口驅動(dòng)能力均可達到20mA。

　　鑒于STC12C5A60S2的這些特點(diǎn)，所以選擇該芯片與時(shí)鐘電路、復位電路等一起構成的單片機最小系統作為主控模塊。

2.2 無(wú)線(xiàn)串口模塊

2.2.1 無(wú)線(xiàn)串口模塊構成

　　無(wú)線(xiàn)串口模塊主要由MCU2和射頻收發(fā)芯片組成。MCU2選用意法半導體公司的STM8L152C6T6低功耗微處理器，該芯片自帶SPI、UART和多個(gè)定時(shí)器，具有多種電源管理模式且待機功耗低的特點(diǎn)^[3]。射頻收發(fā)芯片采用SI4463，該芯片工作頻段為119MHz~1050MHz，最高輸出功率可達+20dB，傳輸距離可達2km。SI4463芯片能超低功耗工作，在功率為+10dB時(shí)，發(fā)射電流為18.0mA，接收電流為10.0mA^[4]。SI4463芯片可應用在智能計量、遙控、家庭安全、報警、遙測、工業(yè)控制和傳感器網(wǎng)絡(luò )等方面。SI4463電路設計簡(jiǎn)單且成本低。STM8L單片機與SI4463射頻芯片接口電路如圖2和圖3所示。

　　SI4463射頻芯片與STM8L單片機通過(guò)標準4線(xiàn)串行外設接口(SPI)進(jìn)行通信：SCLK(時(shí)鐘)——SPI_SCK，SDI(數據輸入)——SPI_MOSI，SDO(數據輸出)——SPI_MISO，CS(片選)——SPI_CSN。

　　需要發(fā)送和接收的數據由MCU2控制SI4463進(jìn)行射頻發(fā)送和接收。為了在數據射頻傳輸過(guò)程中抗干擾，將無(wú)線(xiàn)串口模塊加了金屬外殼進(jìn)行屏蔽，并且采用了SMA接口的單鞭棒狀天線(xiàn)增強傳輸性能。

2.2.2 接口電路

　　無(wú)線(xiàn)串口模塊的MCU2和主控模塊的MCU1通過(guò)UART(通用異步串行口)接口進(jìn)行串行通信，實(shí)現數據的接收和發(fā)送。

　　安裝于上位機的無(wú)線(xiàn)串口模塊增加了CP2102芯片及外圍電路，使無(wú)線(xiàn)模塊和上位機通過(guò)CP2102芯片進(jìn)行USB-UART的轉換實(shí)現連接。CP2102芯片內置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線(xiàn)(UART)，支持調制解調器全功能信號，無(wú)需任何外部的USB器件。

2.3 電源電路

　　在車(chē)床使用現場(chǎng)能方便獲得220V交流電，將該電信號經(jīng)變壓、整流和濾波后，經(jīng)三端集成穩壓電源芯片7812和7805獲得直流12V和5V電壓給繼電器和車(chē)床安全保護控制器等電路供電。

　　在無(wú)線(xiàn)串口模塊中，使用了74LVC245芯片將5V電壓轉換為3.3V給STM8L單片機和SI4463芯片供電，并實(shí)現電平轉換。

2.4 其他電路

　　本控制器通過(guò)矩陣鍵盤(pán)可以輸入密碼，賦予操作者相應的權限。本控制器使用12864液晶顯示器來(lái)顯示扳手位置、縱向行程位置等信息，同時(shí)用LED發(fā)光二極管來(lái)直觀(guān)地指示扳手位置、縱向行程位置等是否正常。液晶顯示器和LED發(fā)光二極管與主控MCU1單片機的接口為常規并行接口。矩陣鍵盤(pán)也通過(guò)單片機的并行口連接，并且將行線(xiàn)經(jīng)與門(mén)后接到單片機的外部中斷0。

　　經(jīng)主控MCU1輸出的電機控制信號經(jīng)光電隔離電路和繼電器控制主電機和快進(jìn)電機的工作，電機控制電路如圖4所示。其中CTL_MT1端連接主控MCU1單片機的IO口，TLP521是可控制的光電耦合器件，作用是在電路信號傳輸過(guò)程中使控制器前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性、減小電路干擾和減化電路設計。主控MCU1輸出的高低電平對應繼電器線(xiàn)圈的得電和失電，MT11和MT12串聯(lián)接入電機的電源回路，從而控制電機電源電路的通斷。

3 軟件設計

　　普通車(chē)床多功能安全保護集成控制裝置在工作時(shí)，上位機與多個(gè)車(chē)床安全保護控制器的通信為主從模式，每個(gè)車(chē)床安全保護控制器有一個(gè)唯一的地址編號，控制器不停地發(fā)送采集到的車(chē)床各處關(guān)鍵位置點(diǎn)的狀態(tài)數據，上位機按控制器的地址編號輪流向各個(gè)控制器發(fā)送數據，以向控制器發(fā)送控制命令和讀取狀態(tài)數據?？刂破饔新?lián)機和脫機兩種工作模式，可由上位機控制，也可以在通過(guò)密碼驗證操作者身份后，允許其通過(guò)鍵盤(pán)設置工作模式。上位機和控制器傳輸數據的定義見(jiàn)表1、表2和表3。

　　車(chē)床安全保護控制器軟件設計分為主控模塊程序和無(wú)線(xiàn)串口模塊程序兩大部分。

3.1 主控模塊程序設計

　　主控模塊程序主要包括主控MCU1初始化、數據收發(fā)、矩陣鍵盤(pán)掃描、液晶顯示控制、電機控制等功能部分，其主函數流程圖如圖5所示。

　　在主控模塊中使用了串行口中斷服務(wù)函數，用來(lái)讀入上位機發(fā)送的數據，并將相應的標志位置1。還編寫(xiě)了外部中斷0的中斷服務(wù)函數，矩陣鍵盤(pán)任意按鍵被按下時(shí)，進(jìn)入外部中斷0，判斷鍵值，并將相應的標志位置1。

3.2 無(wú)線(xiàn)串口模塊程序設計

　　無(wú)線(xiàn)串口模塊程序設計主要包括STM8L單片機初始化、SI4463芯片初始化、STM8L單片機與主控MCU1通信、STM8L單片機與SI4463芯片的數據傳輸以及STM8L控制SI4463芯片實(shí)現與上位機的射頻通信。

4 結論

　　本車(chē)床安全保護控制器經(jīng)實(shí)際測試，能實(shí)現對單臺車(chē)床的安全保護和狀態(tài)顯示，并且能與上位機聯(lián)機工作，實(shí)現多臺車(chē)床的遠程集群控制。經(jīng)測試，本車(chē)床安全保護控制器所屬的普通車(chē)床安全集成控制系統可對1000m2~1500m2范圍內的30臺~40臺車(chē)床群組實(shí)現有效的集中管理，其安全保護功能可靠、靈活，在各級學(xué)校的實(shí)習工廠(chǎng)和大型制造企業(yè)中都具有廣泛的應用前景。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。