面向稱重包裝一體化的嵌入式控制開發(fā)平臺設(shè)計(jì)*

作者簡介：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(dǎo)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(tǒng)設(shè)計(jì)、微弱信號檢測和數(shù)字醫(yī)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(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202010145085）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目批準(zhǔn)號（N182410001）

摘要：自動化稱重計(jì)量設(shè)備多以PLC為控制內(nèi)核，但隨著工業(yè)4.0的到來，智能化、集成化的需求越來越強(qiáng)烈，單片機(jī)越來越成為另一個(gè)選擇。本設(shè)計(jì)以意法半導(dǎo)體公司（ST）基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為運(yùn)算控制核心，設(shè)計(jì)一種面向稱重包裝一體化應(yīng)用的定制嵌入式平臺設(shè)備。該系統(tǒng)硬件電路包括實(shí)現(xiàn)稱重包裝功能所需的各功能模塊及相應(yīng)的硬件接口電路；軟件部分包括硬件接口驅(qū)動函數(shù)、信號處理函數(shù)、系統(tǒng)控制與誤差分析函數(shù)、Wi-Fi及藍(lán)牙通信函數(shù)，利用這些函數(shù)控制系統(tǒng)動作執(zhí)行。相較于業(yè)內(nèi)普遍使用的PLC設(shè)備，該系統(tǒng)成本低、效益高、易于重構(gòu)且功能指向性強(qiáng)，具有廣泛應(yīng)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(xiàng)工程設(shè)計(jì)的PLC 裝置在稱重包裝產(chǎn)業(yè)近乎壟斷的地位，而基于定制化的嵌入式平臺設(shè)備也成為越來越多公司在大批量設(shè)備配套裝置方面的又一選擇，其成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)也越來越被主流公司認(rèn)可。在工業(yè)4.0 推動下，國際上更重視個(gè)性化的客戶服務(wù)，立足這一點(diǎn)，本項(xiàng)目選擇研制功能多、性能高、易于重構(gòu)，可以基于原型機(jī)構(gòu)建各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)這一研究課題，直接面向公司的個(gè)性化項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)面向稱重包裝一體化的嵌入式控制開發(fā)平臺（如圖1）。

1   總體方案

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

硬件連接對象為開關(guān)量輸入輸出設(shè)備與模擬量輸入設(shè)備。其中開關(guān)量輸入輸出設(shè)備需要采用光電耦合器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。模擬量輸入設(shè)備包括氣缸、電磁閥、光電開關(guān)、磁性開關(guān)、接近開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器和稱重傳感器等。系統(tǒng)整體對外通信接口適應(yīng)性強(qiáng)，具有自主通信能力，能實(shí)現(xiàn)串聯(lián)擴(kuò)展。

圖3 系統(tǒng)整體效果圖

系統(tǒng)的軟件部分則涉及控制系統(tǒng)各項(xiàng)動作的執(zhí)行，除此之外，為挈合如今萬物互聯(lián)的潮流，系統(tǒng)增加了無線通信模塊。用戶可通過手機(jī)App、電腦終端、工業(yè)串口觸摸屏等設(shè)備與系統(tǒng)交互，同時(shí)通過Web 端的數(shù)據(jù)監(jiān)測和可視化顯示，可直觀知曉系統(tǒng)工作狀態(tài)，指導(dǎo)系統(tǒng)更加高效地運(yùn)行。

2   硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字I/O接口模塊

1）高速、快速反應(yīng)普通I/O 接口

系統(tǒng)有114 個(gè)普通隔離輸入輸出接口，信號電平為24 V，具有強(qiáng)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，線性可調(diào)。用以驅(qū)動伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，在軟件中實(shí)現(xiàn)加速曲線控制（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(tǒng)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(jī)驅(qū)動模塊

1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

系統(tǒng)采用ULN2003 芯片用于驅(qū)動28BYJ-48 小型步進(jìn)電機(jī)；采用32 細(xì)分精度的TB6600 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動絲杠滑臺上的57 式兩相四線步進(jìn)電機(jī)。

2）減速電機(jī)與直流電機(jī)驅(qū)動模塊

系統(tǒng)采用2 個(gè)L298N 高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片用于驅(qū)動90 g 減速電機(jī)、775 電機(jī)和130 電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)軸處連接光電式速度傳感器以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dá)25 W。

2.5 無線通信模塊

系統(tǒng)采用HC-05 無線藍(lán)牙模塊與NRF24L01 無線2.4 GHz 發(fā)射接收模塊用于無線通信。所需引腳通過I/O 轉(zhuǎn)接板從單片機(jī)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(tǒng)運(yùn)行所需的電源，利用降壓芯片7812、LM2596S 和LD1117 可將外部開關(guān)式穩(wěn)壓電源提供的24 V 直流電壓轉(zhuǎn)換為12 V、5 V 和3.3 V 直流電壓，用于直流電機(jī)驅(qū)動器和單片機(jī)的供電，同時(shí)整體系統(tǒng)按照3C 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，抗雷擊浪涌、抗高壓靜電和抗脈沖三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

3   軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

為了便于檢驗(yàn)硬件平臺的可靠性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了針對該硬件平臺稱重包裝演示系統(tǒng)。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：各模塊初始化及驅(qū)動函數(shù)、信號處理函數(shù)、系統(tǒng)控制與誤差分析函數(shù)、無線通信函數(shù)和中斷事件處理函數(shù)。稱重包裝系統(tǒng)軟件的主要工作流程如圖5 所示。

其中硬件電路接口驅(qū)動函數(shù)包括實(shí)現(xiàn)數(shù)字I/O 接口、定時(shí)查詢、中斷控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及通信等底層電路接口的驅(qū)動函數(shù)。信號處理函數(shù)包括實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、人機(jī)接口數(shù)據(jù)驅(qū)動等函數(shù)。系統(tǒng)控制和誤差分析函數(shù)包括實(shí)現(xiàn)涉及控制系統(tǒng)動作執(zhí)行的各項(xiàng)函數(shù)。無線通信函數(shù)包括涉及藍(lán)牙通信與Wi-Fi 通信執(zhí)行的函數(shù)。

3.2 APP端及Windows端程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的安卓端APP 由App Inventor 2 開發(fā)設(shè)計(jì)，APP 端程序主要包括顯示藍(lán)牙/Wi-Fi 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和發(fā)送指令切換需要演示的功能。同時(shí)可以將數(shù)據(jù)以曲線的形式可視化地顯示在坐標(biāo)中，可以更直觀地觀察和比較數(shù)據(jù)。

圖6 稱重包裝APP端軟件系統(tǒng)^[3]

本項(xiàng)目的電腦端窗體程序上位機(jī)由Qt 5.15 開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)通過藍(lán)牙和Wi-Fi 對絲缸滑臺、直流電機(jī)的控制和傳輸工業(yè)通信和稱重重量的信號，主體界面和程序設(shè)計(jì)流程圖如下：

圖7 稱重包裝windows窗體程序

4   系統(tǒng)改進(jìn)與展望

由于本系統(tǒng)中用于監(jiān)測I/O 運(yùn)行狀態(tài)的LED 指示燈直接連接24 V 電源，沒有經(jīng)過專用的LED 驅(qū)動電路驅(qū)動，因而存在功耗較大和可靠性不強(qiáng)的問題。此外由于系統(tǒng)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(fèi)。為此，我們團(tuán)隊(duì)決定采用TI 公司的TLC5928 芯片[4]作為系統(tǒng)的恒流LED 驅(qū)動芯片，這是一款具有4 路分組延時(shí)和串行控制16 路恒流LED 驅(qū)動器，該LED 驅(qū)動模塊可通過SPI 接口與單片機(jī)相連，可以大大減少連線數(shù)量。除此之外，出于時(shí)間和成本考慮，本系統(tǒng)沒有將所有電路集成到1 塊PCB 中，而是通過杜邦線和排針連接各個(gè)功能模塊，這造成系統(tǒng)美觀性和穩(wěn)定性的下降，為此，團(tuán)隊(duì)將在下一版PCB 中集成所有模塊。

5   結(jié)束語

本文介紹了團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的面向稱重包裝一體化的嵌入式控制平臺，并在實(shí)際樣機(jī)中對相關(guān)功能進(jìn)行驗(yàn)證。相較傳統(tǒng)PLC 設(shè)備，本系統(tǒng)功能更多且更具有針對性。這也為后來針對大批量定制化嵌入式配套設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 佘勃,宋迎法,張寧,等.組合稱包裝機(jī)分布式控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2009,30(01):78-80.

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

[ 3 ] 達(dá)爾聞?wù)f. S T M 3 2 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動心電& 溫度&步數(shù)無線傳輸[R/OL].[2020-12-10].https://mp.weixin.qq.com/s/QbJaCKxfqOxzC5KqSm2Gog.

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）