面向稱重包裝一體化的嵌入式控制開發(fā)平臺設計*

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)設計、微弱信號檢測和數字醫(yī)療儀器。E-mail: wangmingquan@mail.neu.edu.cn。

王浩志，張益恒（2000—），男，2018級本科生。

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

摘要：自動化稱重計量設備多以PLC為控制內核，但隨著工業(yè)4.0的到來，智能化、集成化的需求越來越強烈，單片機越來越成為另一個選擇。本設計以意法半導體公司（ST）基于ARM Cortex-M4內核的STM32單片機作為運算控制核心，設計一種面向稱重包裝一體化應用的定制嵌入式平臺設備。該系統(tǒng)硬件電路包括實現(xiàn)稱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函數、信號處理函數、系統(tǒng)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(tǒng)動作執(zhí)行。相較于業(yè)內普遍使用的PLC設備，該系統(tǒng)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 裝置在稱重包裝產業(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)點也越來越被主流公司認可。在工業(yè)4.0 推動下，國際上更重視個性化的客戶服務，立足這一點，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(tǒng)這一研究課題，直接面向公司的個性化項目要求，設計開發(fā)了一個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

本項目的硬件電路包括硬件接口驅動模塊、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量輸入輸出設備與模擬量輸入設備。其中開關量輸入輸出設備需要采用光電耦合器進行隔離，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。模擬量輸入設備包括氣缸、電磁閥、光電開關、磁性開關、接近開關、步進電機、伺服電機、變頻器和稱重傳感器等。系統(tǒng)整體對外通信接口適應性強，具有自主通信能力，能實現(xiàn)串聯(lián)擴展。

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App、電腦終端、工業(yè)串口觸摸屏等設備與系統(tǒng)交互，同時通過Web 端的數據監(jiān)測和可視化顯示，可直觀知曉系統(tǒng)工作狀態(tài)，指導系統(tǒng)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(tǒng)有114 個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 個通道，頻率范圍為500 Hz~100 kHz，線性可調。用以驅動伺服電機和步進電機，在軟件中實現(xiàn)加速曲線控制（模擬PLC 步進指令）。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 個通道，一個通道用于2 個系統(tǒng)串聯(lián)，另外一個通道作為備份。

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

2.4 電機驅動模塊

1）步進電機驅動模塊

系統(tǒng)采用ULN2003 芯片用于驅動28BYJ-48 小型步進電機；采用32 細分精度的TB6600 步進電機驅動器，驅動絲杠滑臺上的57 式兩相四線步進電機。

2）減速電機與直流電機驅動模塊

系統(tǒng)采用2 個L298N 高電壓、大電流電機驅動芯片用于驅動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現(xiàn)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 無線通信模塊

系統(tǒng)采用HC-05 無線藍牙模塊與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(tǒng)運行所需的電源，利用降壓芯片7812、LM2596S 和LD1117 可將外部開關式穩(wěn)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，用于直流電機驅動器和單片機的供電，同時整體系統(tǒng)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重包裝演示系統(tǒng)。單片機程序設計主要包括以下幾個模塊：各模塊初始化及驅動函數、信號處理函數、系統(tǒng)控制與誤差分析函數、無線通信函數和中斷事件處理函數。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動函數包括實現(xiàn)數字I/O 接口、定時查詢、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函數。信號處理函數包括實現(xiàn)數字濾波、數值計算、人機接口數據驅動等函數。系統(tǒng)控制和誤差分析函數包括實現(xiàn)涉及控制系統(tǒng)動作執(zhí)行的各項函數。無線通信函數包括涉及藍牙通信與Wi-Fi 通信執(zhí)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。同時可以將數據以曲線的形式可視化地顯示在坐標中，可以更直觀地觀察和比較數據。

圖6 稱重包裝APP端軟件系統(tǒng)^[3]

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

圖7 稱重包裝windows窗體程序

4   系統(tǒng)改進與展望

由于本系統(tǒng)中用于監(jiān)測I/O 運行狀態(tài)的LED 指示燈直接連接24 V 電源，沒有經過專用的LED 驅動電路驅動，因而存在功耗較大和可靠性不強的問題。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。為此，我們團隊決定采用TI 公司的TLC5928 芯片[4]作為系統(tǒng)的恒流LED 驅動芯片，這是一款具有4 路分組延時和串行控制16 路恒流LED 驅動器，該LED 驅動模塊可通過SPI 接口與單片機相連，可以大大減少連線數量。除此之外，出于時間和成本考慮，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功能模塊，這造成系統(tǒng)美觀性和穩(wěn)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

本文介紹了團隊設計的面向稱重包裝一體化的嵌入式控制平臺，并在實際樣機中對相關功能進行驗證。相較傳統(tǒng)PLC 設備，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備的進一步研發(fā)提供參考。

參考文獻：

[1] 佘勃,宋迎法,張寧,等.組合稱包裝機分布式控制系統(tǒng)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 ] 達爾聞說. S T M 3 2 實現(xiàn)運動心電& 溫度&步數無線傳輸[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《電子產品世界》雜志2021年8月期）