摘要：介紹了基于微控制器的激光防撞裝置的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)以嵌入式混合信號(hào)微處理器STM32F103RBT6作為核心，采用PWM控制輸出、CAN總線輸出和繼電器控制輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)天車與天車間的防撞。硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)模塊化，降低成本，減小體積，目前該防撞裝置在調(diào)試階段運(yùn)行比較穩(wěn)定。

　　關(guān)鍵字：激光防撞,STM32F103RBT6,CAN總線

　　0引言

　　天車又稱起重機(jī)，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要設(shè)備，種類繁多，使用量大[1]。隨著天車在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位越來(lái)越重要，天車的使用越來(lái)越廣泛，對(duì)于天車的使用、管理與安全檢驗(yàn)等方面的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是安全檢驗(yàn)方面[2]。很多重工業(yè)企業(yè)車間的天車往往是多臺(tái)配合工作，以起吊大型超重的設(shè)備。由于作業(yè)頻繁，多臺(tái)天車需要同時(shí)作業(yè)，可能發(fā)生相撞事故，這對(duì)天車本身、檢測(cè)元件和控制器會(huì)產(chǎn)生損壞，對(duì)生產(chǎn)造成影響，同時(shí)也對(duì)操作人員的人身安全造成威脅[3]。采用激光防撞裝置，可接受來(lái)自兩個(gè)不同方向激光傳感器發(fā)出的信號(hào)，即測(cè)得的天車間的距離，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送到微控制器，在微控制器中進(jìn)行計(jì)算和分析，最后輸出控制外圍電機(jī)的急停、加速減速行駛或使電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，從而避免天車間的相撞，通過(guò)調(diào)試已經(jīng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

　　1硬件電路設(shè)計(jì)

　　以嵌入式混合信號(hào)微控制器STM32F103RBT6為核心，由外部電源提供穩(wěn)定的直流24V電壓，通過(guò)B2405將電壓經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電壓，進(jìn)一步通過(guò)AS1117集成電路的轉(zhuǎn)換為CPU提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓。采用兩個(gè)不同方向的激光傳感器進(jìn)行測(cè)距，將數(shù)據(jù)通過(guò)MAX232的電平轉(zhuǎn)換，傳輸給微控制器，再經(jīng)過(guò)光電耦合器以電流信號(hào)的形式輸出控制變頻器，使得電機(jī)達(dá)到加速和減速的效果;以CAN總線的形式輸出控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn);通過(guò)繼電器以電壓輸出控制形式使電機(jī)達(dá)到急停的效果。為了方面本設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)5位按鍵電路，功能分別是電源指示、顯示狀態(tài)、調(diào)節(jié)大小、模式設(shè)定。為顯示直觀，本系統(tǒng)采用迪文液晶顯示，顯示接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用MAX232串口電平轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其整體電路框圖如圖1所示。

　　1.1 PWM控制輸出電路V/I轉(zhuǎn)換電路

　　將激光傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)送往微控制器，進(jìn)行分析運(yùn)算，然后對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出連續(xù)高頻脈沖[4]，如圖2所示。從微控制器的GPIO口輸出PWMC經(jīng)高速光耦合器6N137進(jìn)行隔離，這樣可以提高抗干擾能力。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有1個(gè)850nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成。其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，5mA的極小輸入電流。脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后，多通道模擬開關(guān)CD4011進(jìn)行傳送并整形。CD4011由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路和開關(guān)電路三部分組成，其供電電壓為5V，通過(guò)TL431為其供電。TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三段可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓可以設(shè)置2.5~36V的任何值。進(jìn)入由LM358連接成的射隨電路，這種放大器的放大倍數(shù)接近于1，也就是說(shuō)該放大器的輸出跟輸入信號(hào)相同，即輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)的變化發(fā)生相同的變化，可以保證輸出端的電壓和輸入端相同，也可以更好地帶動(dòng)后面電路的負(fù)載運(yùn)行。經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路(運(yùn)放LM358B、PQ1)變換為4-20mA電流信號(hào)輸出。通過(guò)實(shí)際的運(yùn)算與調(diào)試，確定電路中各個(gè)元器件的參數(shù)。

　　1.2 CAN總線接口電路

　　由于STM32F103RBT6內(nèi)部集成了CAN總線控制器，且CAN接口兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動(dòng))。位速率高達(dá)1兆位/秒，它可以接受和發(fā)送11位標(biāo)示符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接受和發(fā)送29位標(biāo)示符的擴(kuò)展幀。具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)接受FIFO，3級(jí)14個(gè)可調(diào)節(jié)的濾波器[5]。所以只需外加總線驅(qū)動(dòng)器并加上適當(dāng)?shù)母綦x就可以了，電路上顯得非常簡(jiǎn)潔。CAN總線信號(hào)CANTX和CANRX從STM32F103RBT6出來(lái)之后，直接經(jīng)過(guò)通用型數(shù)字隔離器AduM1201進(jìn)行隔離，再經(jīng)過(guò)CAN總線驅(qū)動(dòng)器接口芯片PCA82C250，然后接到CAN的數(shù)據(jù)線上，如圖3所示。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾與瞬時(shí)干擾比較嚴(yán)重，為了保證系統(tǒng)的可靠性，微控制器與接受驅(qū)動(dòng)器之間用PCA82C250進(jìn)行隔離，避免總線上的瞬時(shí)干擾。AduM1201隔離器在一個(gè)器件中提供兩個(gè)獨(dú)立的隔離通道，兩段工作電壓為2.7V~5.5V，支持低電壓工作并能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。具有很低的脈寬失真，還有直流校正功能。自帶刷新電路保證了即時(shí)不存在輸入跳變的情況下輸出狀態(tài)也能與輸入狀態(tài)相匹配，這對(duì)上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入情況下是很重要的。同時(shí)，由于磁隔離在設(shè)計(jì)上去掉了光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此它的功耗僅為光耦的六分之一到十分之一，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，但是需要注意的是兩邊的電源一定要隔離處理，否則無(wú)效。

　　CAN總線終端匹配電阻是必須使用的，總線兩端的120歐姆電阻對(duì)于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用。

　　1.3 繼電器控制輸出模塊

　　繼電器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所用的繼電器線圈的吸合電壓而定，STM32F103RBT6不能直接控制繼電器工作，需要24V電壓控制。在繼電器控制模塊中通過(guò)使用一個(gè)三極管放大電路把電壓提高到24V，如圖4所示。其中為了防止繼電器掉電時(shí)放電燒損三極管，需要在繼電器的控制端兩個(gè)端口處連接一個(gè)二極管起到穩(wěn)壓保護(hù)所用。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編程，模塊化程序設(shè)計(jì)方法。

　　2.1 PWM控制輸出模塊

　　4-20mA利用PWM脈沖寬度調(diào)制方式產(chǎn)生，用來(lái)控制天車速度，即用電流控制變頻器運(yùn)行頻率，繼而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖5所示。

　　2.2 CAN總線程序設(shè)計(jì)模塊

　　通過(guò)減速和急停使得天車之間沒有發(fā)生相撞，該程序模塊的設(shè)計(jì)主要任務(wù)是通過(guò)激光傳感器發(fā)送到CPU的信號(hào)，經(jīng)CPU內(nèi)部的分析和運(yùn)算，轉(zhuǎn)發(fā)給CAN節(jié)點(diǎn)來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使得報(bào)警解除，同時(shí)使天車之間達(dá)到設(shè)定的安全距離。其中主要包括CAN的通信部分和數(shù)據(jù)發(fā)送和接收部分。其程序流程圖如圖6所示。

　　3 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)采用了嵌入式混合信號(hào)微處理器STM32F103RBT6，使設(shè)計(jì)電路大大簡(jiǎn)化，從而減低了成本，減小了體積，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在試用中有效的起到了防撞的作用。

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