基于STM32控制的工业运动控制器研究

凌松生 伍梓权 杨洪锐 陈龙威 赵雅祥

（华南理工大学 广州学院，广州 510800）

在自动化控制日趋成熟的今天，工业运动控制器成为工业控制必不可少的硬件基础。现在，工业上大多采用三菱PLC和西门子PLC进行工业控制，但该类型PLC价格并不便宜，仅适用于大型生产线。对一些复杂的生产线来说，PLC的代码相对复杂，代码存储量相对有限，但该运动控制器采用的是高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为36MHz，无论是在代码处理性能上还是代码存储量上，都有很大的优势。该运动控制器还有一个很大的优势，就是其支持uCOS-II系统移植，即使使用者是完全不会编程语言的员工，经过简单培训，就可以熟练地操作该运动控制器的功能和应用。

1 STM32运动控制器硬件电路结构

该项目的硬件电路（见图1）主要由光电隔离输入、光电隔离输出、隔离PWM输出、差分模拟信号输入、12位DA输出五部分组成。

1.1 光电隔离输入

光电隔离输入电路利用的是TLP185光耦隔离器件，能很好地将STM32微控制器引脚与外部电路隔离开，从而正确地采集信号。在现实生产中，外部信号的采集很容易受波动影响，此电路却能很好避免这一情况。

1.2 光电隔离输出

与光电隔离输入电路类似，光电隔离输出能将输出信号稳定化，避免外部电路的某一意外影响正确信号的输出，从而理想地控制外部电路。该隔离输出电路采用的光耦隔离器件是PC817，在外部控制中还需要采用场效应管A03422将电信号导通。

1.3 隔离PWM输出

数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变。对于STM32微控制器本身而言，因为输出的PWM信号是由定时器控制产生的，所以无论是在信号产生时，还是在传输中失真时，它都不是一个较为严格的方波信号。但在现实生产控制中，人们对方波信号的要求比较严格，所以，该运动控制器采用了反相施密特触发器74HC14来将波形削平，从而将比较理想的PWM信号输出给外部控制电路，从而满足控制的需求。

1.4 差分模拟信号输入

在生产实际中，人们需要采集数字信号。硬件电路只能产生模拟信号，虽然STM32微控制器本身具有模数转换功能，但是如果直接利用控制器采集模拟信号势必会对控制产生一定的不良影响。所以，人们采用四路运算放大器LM2902对需要采集的模拟信号进行数字信号转换，模拟信号经过模数转换电路的转换，被完整地转化为数字信号。这时，微控制器再直接采集数字信号，这样就能降低处理器的功耗，也就能更好地处理其他信号和指令。

1.5 12位DA输出

DA是数模转换的简称，与模数转换相反，在实际生产过程中，硬件电路只能识别模拟信号，即使输入一个数字信号给外部电路，外部电路也会将其当成模拟信号处理。但是，该模拟信号并不一定是人们需要范围的模拟信号，这时，人们就需要实行模数转换的逆过程，即数模转换过程，该运动控制器采用的硬件同样是四路运算放大器LM2902，电路与模数转换有所不同。

2 软件控制部分

2.1 STM32官方库应用

由于STM32微控制器的官方厂家为人们写好了强大的库功能，无论是简单的外部中断和通信，还是初学者认为较难的PWM脉冲调制和各种通信功能，官方厂家都很好地将其集成到库里面，人们只需要简单的设置就可以加以利用。在遇到比较复杂的控制系统时，人们都能轻松地加以解决。

该运动控制器很好沿用了官方库的开发功能，避免了繁杂的直接寄存器操作，具体实现的功能有：接受到触发光电信号后，进行编码器信号计数，达到指定计数M1（变量，可设置）后，输出拍照信号；接受到踢废光电信号后，进行编码器信号计数，达到指定计数M2（变量，可设置）后，输出踢废信号；过触发光电开关时，物体进行编号（编号可在0～255循环），并根据编码器信号对其位置进行跟踪，用于正确输出踢废结果；与PC实时通信，实时监控，对物件流水线进行跟踪。

2.2 uCOS-II系统应用

考虑到不同生产实际需要和个人能力水平，官方厂家在官方uCOS-II系统的基础上，设计出一套简便的系统，供没有学过STM32相关嵌入式开发知识的人员使用。该系统是通过改造原系统而写成的一套供使用者直接操作的小型系统，它可以实现人机界面操作，如果是比较简单的生产系统，通过简单设置，它基本可以满足使用需求。

3 结语

本运动控制器在实现稳定隔离电路的基础上，加入了近似方波信号的PWM信号输出功能、数模转换和模数转换功能。相对PLC而言，其稳定性存在一定差距。但是，这款运动控制器在性价比方面较具优势，且稳定性良好。对于一些中小型流水线项目控制来说，此款运动控制器是不错的选择。在复杂的工程项目中，它比PLC较易实现，相应的开发时长也较短。

[1]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M]．2版.北京：机械工业出版社，2017：59-61.

[2]贾丹平.STM32F103x微控制器与μC/OS-II操作系统[M].北京：电子工业出版社，2017：152.

[3]杨百军.轻松玩转STM32微控制器[M].北京：电子工业出版社，2016：98-100.