基于SI4463的車床安全保護控制器的設計與實現(xiàn)

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

引言

　　普通車床缺乏安全保護裝置，但工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在使用過程中，特別是在車削加工教學實訓中，由于初學者的疏忽，很容易出現(xiàn)安全事故，帶來財產(chǎn)和人身損害。為此，我們針對實際問題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普通車床多功能安全保護集成控制裝置。該裝置實現(xiàn)了對普通車床機群(多臺車床)工作狀態(tài)顯示、集中控制和單臺車床安全工作保護。該裝置可實現(xiàn)4種保護：(1)卡盤扳手未取出安全故障保護;(2)刀架與卡盤相撞安全保護;(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(jié)構(gòu)的三個層次進行^[1]：(1)感知層，本系統(tǒng)采用行程開關(guān)和磁性開關(guān)對每臺車床的扳手的位置、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電機發(fā)出命令，控制器與上位機通過短距離無線通信進行信息交換，并執(zhí)行上位機發(fā)出的控制命令;(2)網(wǎng)絡層，利用互聯(lián)網(wǎng)和3G/4G移動網(wǎng)絡，計算機客戶端和手機客戶端對本裝置進行訪問和操作;(3)應用層，采用專門開發(fā)的應用軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)訪問、狀態(tài)查看、現(xiàn)場控制等功能。

　　本文在此對其中的安全保護控制器部分設計和實現(xiàn)情況進行介紹。

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、無線串口模塊、液晶顯示、LED指示、矩陣鍵盤、光電隔離等部分構(gòu)成，如圖1所示。

　　該普通車床多功能安全保護集成控制裝置系統(tǒng)使用PC機作上位機，上位機通過串行總線USB(Universal Serial Bus)接口經(jīng)USB接口芯片和無線串口模塊連接，與安裝在每臺車床的控制器通信，實現(xiàn)將車床相應位置檢測的元件輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為電平信號送到主控MCU1，主控MCU1根據(jù)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，從而允許車床主電機和快進電機啟動或停止。同時，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(jù)上位機的命令輸出主電機和快進電機的控制信號，主控MCU1通過無線串口模塊與上位機實現(xiàn)短距離無線通信。

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(tǒng)MCU，該芯片F(xiàn)LASH內(nèi)存可實現(xiàn)ISP/ISA系統(tǒng)可編程/在線應用可編程。STC12C5A60S2主要性能^[2]：

　　(1)高速：1個時鐘/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，可在掉電時及時將數(shù)據(jù)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I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA。

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

2.2 無線串口模塊

2.2.1 無線串口模塊構(gòu)成

　　無線串口模塊主要由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和多個定時器，具有多種電源管理模式且待機功耗低的特點^[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，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)絡等方面。SI4463電路設計簡單且成本低。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單片機通過標準4線串行外設接口(SPI)進行通信：SCLK(時鐘)——SPI_SCK，SDI(數(shù)據(jù)輸入)——SPI_MOSI，SDO(數(shù)據(jù)輸出)——SPI_MISO，CS(片選)——SPI_CSN。

　　需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)由MCU2控制SI4463進行射頻發(fā)送和接收。為了在數(shù)據(jù)射頻傳輸過程中抗干擾，將無線串口模塊加了金屬外殼進行屏蔽，并且采用了SMA接口的單鞭棒狀天線增強傳輸性能。

2.2.2 接口電路

　　無線串口模塊的MCU2和主控模塊的MCU1通過UART(通用異步串行口)接口進行串行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

　　安裝于上位機的無線串口模塊增加了CP2102芯片及外圍電路，使無線模塊和上位機通過CP2102芯片進行USB-UART的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)連接。CP2102芯片內(nèi)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(shù)據(jù)總線(UART)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號，無需任何外部的USB器件。

2.3 電源電路

　　在車床使用現(xiàn)場能方便獲得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(wěn)壓電源芯片7812和7805獲得直流12V和5V電壓給繼電器和車床安全保護控制器等電路供電。

　　在無線串口模塊中，使用了74LVC245芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V給STM8L單片機和SI4463芯片供電，并實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.4 其他電路

　　本控制器通過矩陣鍵盤可以輸入密碼，賦予操作者相應的權(quán)限。本控制器使用12864液晶顯示器來顯示扳手位置、縱向行程位置等信息，同時用LED發(fā)光二極管來直觀地指示扳手位置、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(guī)并行接口。矩陣鍵盤也通過單片機的并行口連接，并且將行線經(jīng)與門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

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

　　車床安全保護控制器軟件設計分為主控模塊程序和無線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(shù)據(jù)收發(fā)、矩陣鍵盤掃描、液晶顯示控制、電機控制等功能部分，其主函數(shù)流程圖如圖5所示。

　　在主控模塊中使用了串行口中斷服務函數(shù)，用來讀入上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將相應的標志位置1。還編寫了外部中斷0的中斷服務函數(shù)，矩陣鍵盤任意按鍵被按下時，進入外部中斷0，判斷鍵值，并將相應的標志位置1。

3.2 無線串口模塊程序設計

　　無線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(shù)據(jù)傳輸以及STM8L控制SI4463芯片實現(xiàn)與上位機的射頻通信。

4 結(jié)論

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

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