面向稱(chēng)重包裝一體化的嵌入式控制開(kāi)發(fā)平臺設計*

作者簡(jiǎn)介：王天瑞（1999—），男，2018級本科生。

王明全（1973—），通訊作者，男，博士，碩士生導師，講師/通信與電子工程系副主任，主要研究方向：信號處理系統設計、微弱信號檢測和數字醫療儀器。E-mail: wangmingquan@mail.neu.edu.cn。

王浩志，張益恒（2000—），男，2018級本科生。

*基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃資助項目（202010145085）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專(zhuān)項資金資助項目批準號（N182410001）

摘要：自動(dòng)化稱(chēng)重計量設備多以PLC為控制內核，但隨著(zhù)工業(yè)4.0的到來(lái)，智能化、集成化的需求越來(lái)越強烈，單片機越來(lái)越成為另一個(gè)選擇。本設計以意法半導體公司（ST）基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的STM32單片機作為運算控制核心，設計一種面向稱(chēng)重包裝一體化應用的定制嵌入式平臺設備。該系統硬件電路包括實(shí)現稱(chēng)重包裝功能所需的各功能模塊及相應的硬件接口電路；軟件部分包括硬件接口驅動(dòng)函數、信號處理函數、系統控制與誤差分析函數、Wi-Fi及藍牙通信函數，利用這些函數控制系統動(dòng)作執行。相較于業(yè)內普遍使用的PLC設備，該系統成本低、效益高、易于重構且功能指向性強，具有廣泛應用前景。

0   引言

在工業(yè)4.0 的大背景下，在智能化、集成化的大趨勢下，促成了基于單項工程設計的PLC 裝置在稱(chēng)重包裝產(chǎn)業(yè)近乎壟斷的地位，而基于定制化的嵌入式平臺設備也成為越來(lái)越多公司在大批量設備配套裝置方面的又一選擇，其成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越被主流公司認可。在工業(yè)4.0 推動(dòng)下，國際上更重視個(gè)性化的客戶(hù)服務(wù)，立足這一點(diǎn)，本項目選擇研制功能多、性能高、易于重構，可以基于原型機構建各種嵌入式應用系統這一研究課題，直接面向公司的個(gè)性化項目要求，設計開(kāi)發(fā)了一個(gè)面向稱(chēng)重包裝一體化的嵌入式控制開(kāi)發(fā)平臺（如圖1）。

1   總體方案

本項目的硬件電路包括硬件接口驅動(dòng)模塊、信號處理模塊、通信接口模塊和電源與抗干擾模塊。

硬件連接對象為開(kāi)關(guān)量輸入輸出設備與模擬量輸入設備。其中開(kāi)關(guān)量輸入輸出設備需要采用光電耦合器進(jìn)行隔離，以保證系統穩定性。模擬量輸入設備包括氣缸、電磁閥、光電開(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機、伺服電機、變頻器和稱(chēng)重傳感器等。系統整體對外通信接口適應性強，具有自主通信能力，能實(shí)現串聯(lián)擴展。

圖3 系統整體效果圖

系統的軟件部分則涉及控制系統各項動(dòng)作的執行，除此之外，為挈合如今萬(wàn)物互聯(lián)的潮流，系統增加了無(wú)線(xiàn)通信模塊。用戶(hù)可通過(guò)手機App、電腦終端、工業(yè)串口觸摸屏等設備與系統交互，同時(shí)通過(guò)Web 端的數據監測和可視化顯示，可直觀(guān)知曉系統工作狀態(tài)，指導系統更加高效地運行。

2   硬件電路設計

2.1 數字I/O接口模塊

1）高速、快速反應普通I/O 接口

系統有114 個(gè)普通隔離輸入輸出接口，信號電平為24 V，具有強防抖功能，帶LED 指示。I/O 接口電路共24 V 電源，但不共地。以上所有的I/O 接口電路采用臺灣億光公司的EL817S 低速光電耦合器隔離。

2）高速PWM 脈沖輸出接口電路

2 個(gè)通道，頻率范圍為500 Hz~100 kHz，線(xiàn)性可調。用以驅動(dòng)伺服電機和步進(jìn)電機，在軟件中實(shí)現加速曲線(xiàn)控制（模擬PLC 步進(jìn)指令）。其中光耦選擇東芝公司的TLP2345 高速光耦和臺灣億光公司的低速光耦EL817 組合使用。

2.2 高精度稱(chēng)重信號處理模塊

采用ADI 公司的超低噪聲24 位Σ -ΔADC——ADC7190 芯片，SPI 接口，信號分辨率為1/80 000。

2.3 通信接口電路模塊

1）RS232 接口電路，2 個(gè)通道，一個(gè)通道用于2 個(gè)系統串聯(lián)，另外一個(gè)通道作為備份。

2）RS485 接口電路，1 個(gè)通道，連接外部變頻器，采用DB9 型連接器。

2.4 電機驅動(dòng)模塊

1）步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊

系統采用ULN2003 芯片用于驅動(dòng)28BYJ-48 小型步進(jìn)電機；采用32 細分精度的TB6600 步進(jìn)電機驅動(dòng)器，驅動(dòng)絲杠滑臺上的57 式兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機。

2）減速電機與直流電機驅動(dòng)模塊

系統采用2 個(gè)L298N 高電壓、大電流電機驅動(dòng)芯片用于驅動(dòng)90 g 減速電機、775 電機和130 電機。電機轉軸處連接光電式速度傳感器以實(shí)現電機速度閉環(huán)控制。模塊12 V 供電取自電源模塊，額定功率可達25 W。

2.5 無(wú)線(xiàn)通信模塊

系統采用HC-05 無(wú)線(xiàn)藍牙模塊與NRF24L01 無(wú)線(xiàn)2.4 GHz 發(fā)射接收模塊用于無(wú)線(xiàn)通信。所需引腳通過(guò)I/O 轉接板從單片機核心板中引出，便于直插。

2.6 電源及抗干擾模塊

本模塊提供系統運行所需的電源，利用降壓芯片7812、LM2596S 和LD1117 可將外部開(kāi)關(guān)式穩壓電源提供的24 V 直流電壓轉換為12 V、5 V 和3.3 V 直流電壓，用于直流電機驅動(dòng)器和單片機的供電，同時(shí)整體系統按照3C 認證標準設計，抗雷擊浪涌、抗高壓靜電和抗脈沖三項指標達標。

3   軟件設計

3.1 單片機程序設計

為了便于檢驗硬件平臺的可靠性，團隊設計了針對該硬件平臺稱(chēng)重包裝演示系統。單片機程序設計主要包括以下幾個(gè)模塊：各模塊初始化及驅動(dòng)函數、信號處理函數、系統控制與誤差分析函數、無(wú)線(xiàn)通信函數和中斷事件處理函數。稱(chēng)重包裝系統軟件的主要工作流程如圖5 所示。

其中硬件電路接口驅動(dòng)函數包括實(shí)現數字I/O 接口、定時(shí)查詢(xún)、中斷控制、模數轉換、數模轉換以及通信等底層電路接口的驅動(dòng)函數。信號處理函數包括實(shí)現數字濾波、數值計算、人機接口數據驅動(dòng)等函數。系統控制和誤差分析函數包括實(shí)現涉及控制系統動(dòng)作執行的各項函數。無(wú)線(xiàn)通信函數包括涉及藍牙通信與Wi-Fi 通信執行的函數。

3.2 APP端及Windows端程序設計

本項目的安卓端APP 由App Inventor 2 開(kāi)發(fā)設計，APP 端程序主要包括顯示藍牙/Wi-Fi 傳輸的數據和發(fā)送指令切換需要演示的功能。同時(shí)可以將數據以曲線(xiàn)的形式可視化地顯示在坐標中，可以更直觀(guān)地觀(guān)察和比較數據。

圖6 稱(chēng)重包裝APP端軟件系統^[3]

本項目的電腦端窗體程序上位機由Qt 5.15 開(kāi)發(fā)，可實(shí)現通過(guò)藍牙和Wi-Fi 對絲缸滑臺、直流電機的控制和傳輸工業(yè)通信和稱(chēng)重重量的信號，主體界面和程序設計流程圖如下：

圖7 稱(chēng)重包裝windows窗體程序

4   系統改進(jìn)與展望

由于本系統中用于監測I/O 運行狀態(tài)的LED 指示燈直接連接24 V 電源，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的LED 驅動(dòng)電路驅動(dòng)，因而存在功耗較大和可靠性不強的問(wèn)題。此外由于系統I/O 較多，板子上集成LED 指示燈和限流電阻也造成空間上的浪費。為此，我們團隊決定采用TI 公司的TLC5928 芯片[4]作為系統的恒流LED 驅動(dòng)芯片，這是一款具有4 路分組延時(shí)和串行控制16 路恒流LED 驅動(dòng)器，該LED 驅動(dòng)模塊可通過(guò)SPI 接口與單片機相連，可以大大減少連線(xiàn)數量。除此之外，出于時(shí)間和成本考慮，本系統沒(méi)有將所有電路集成到1 塊PCB 中，而是通過(guò)杜邦線(xiàn)和排針連接各個(gè)功能模塊，這造成系統美觀(guān)性和穩定性的下降，為此，團隊將在下一版PCB 中集成所有模塊。

5   結束語(yǔ)

本文介紹了團隊設計的面向稱(chēng)重包裝一體化的嵌入式控制平臺，并在實(shí)際樣機中對相關(guān)功能進(jìn)行驗證。相較傳統PLC 設備，本系統功能更多且更具有針對性。這也為后來(lái)針對大批量定制化嵌入式配套設備的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

參考文獻：

[1] 佘勃,宋迎法,張寧,等.組合稱(chēng)包裝機分布式控制系統的總體設計[J].包裝工程,2009,30(01):78-80.

[2] CODEALLEN.電源轉換電路設計——24V轉3.3V或者5V[R/OL].[2018-10-27].https://blog.csdn.net/super828/article/details/83449496.

[ 3 ] 達爾聞?wù)f(shuō). S T M 3 2 實(shí)現運動(dòng)心電& 溫度&步數無(wú)線(xiàn)傳輸[R/OL].[2020-12-10].https://mp.weixin.qq.com/s/QbJaCKxfqOxzC5KqSm2Gog.

[4] TI.具有LED開(kāi)路檢測功能的16通道恒流LED驅動(dòng)器[R/OL].[2011-1-26]https://www.ti.com.cn/product/cn/TLC59281?keyMatch=&tisearch=search-everything&usecase=partmatches.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）