基于STM32F429的光缆全自动放线扎线机的研制

马双宝，贾树林，胡江宇，游青华

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200）

0 引言

目前通信光缆常见的有两种扎线方法：一种是人工滑轮作业，另一种是人工附挂器。第一种方法是人工滑轮作业，是指人坐在操作平台上，利用升降装置将人升到需要作业的高空位置处，当人工扎线完成后，利用滑轮前行到达下一个扎线点处再次进行人工扎线[1]。该方法存在以下缺点：（1）扎线工程量较大，需要耗费大量人力；（2）进行作业时需要上升到高空处，非常危险，存在安全隐患[2]；（3）每次扎线的程度由人工操作决定，没有统一的标准；（4）从本次扎线点到达下一个扎线点需要人力依靠滑轮前行，效率较低[3]。

第二种方法是利用人工附挂器。人工附挂器是指利用长为8米左右的工具杆将附挂器托举到高空光缆处，通过遥控按钮进行控制从而实现对通信光缆进行扎线功能[4]，该方法存在以下缺点：（1）由于每次扎线都需要人力进行托举，需要耗费大量人力；（2）附挂器重量较大，人力将其托举到高空进行作业，效率较为低下[5]。

而通信光缆放线目前常见方法是人工放置[6]，该方法也存在如下缺点：（1）由于放线工程量较大，需要耗费大量人力；（2）进行作业时需要上升到高空处，非常危险，存在安全隐患；（3）效率较低。

随着5G技术的不断完善与大规模的使用，通信光缆的放线与扎线的工作量会剧增，而传统的人工方法存在效率低、安全系数低等问题，针对这一问题，本文研制了一种基于STM32F429的光缆全自动放线扎线机，以实现通信光缆高效且全自动化放线与扎线功能。

1 系统硬件设计

光缆全自动放线扎线机整体设计框图如图1所示，由STM32F429IGT6控制器、直流有感无刷电机驱动器AQMD3608BLS、步进电机驱动器TB6600、LM2596电源转换、电机Z4BLd60-24GN、滑轮、红外发射和接收电路、测距传感器、扎线手臂、扎线手臂推杆和电源模块等部分组成。其机械设计图如图2所示。

图2所示中间为主动轮，提供整个装置的驱动动力，左端为从动滑轮，实现放线与夹持功能，右端是由电机控制的能够升降的扎线手臂，由红外控制其扎线动作实现扎线功能。

图1 系统整体设计框图

图2 机械设计图

1.1 主动轮驱动电路设计

主动轮驱动电路为整个装置提供动力，与主动轮所连接电机选用Z4BLd60-24GN电机，相应电机驱动器选用直流有感无刷电机驱动器AQMD3608BLS。该驱动器使用ARM Cortex-M3内核处理器，具有以下优点：

（1）支持占空比调速（调压）、转矩控制（稳流）、速度闭环控制（稳速）、位置闭环控制（角度、距离控制）多种调速方法[7]；

（2）支持PWM、频率、逻辑开关、开关量、电位器、模拟信号、脉冲、RS485等多种输入信号[8]；（3）支持加减速缓冲时间与加减速加速度控制，可在指定行程内自动加减速并精确定位；

（4）可实现电机电流PID调节控制，电流控制精度可达0.1A，最大启动电流、制动电流可以分别配置，可以实现同时支持电机过载限流和堵转停机，防止过流损坏电机[9]；

（5）可以进行电机相序学习、霍尔错误保护；

（6）18kHz的 PWM频率，电机调速无 PWM嚣叫声，极小的 PWM死区，仅 0.5us，PWM有效范围0.1%-100%；

（7）全部接口均有ESD防护，可适应复杂的现场环境[10]。

电机Z4BLd60-24GN为直流无刷减速电机，带有霍尔传感器，转速可调，同时具有超大力矩，可承重50KG，可达到本次设计要求。

驱动器 AQMD3608BLS与电机 Z4BLd60-24GN的电路连接图如图 3所示。图中 PA8、PH14、PH15为与控制器STM32F429管脚相连。

PA8为脉冲输入端，此时为PWM信号调速模式，当PH14为高电平、PH15为高电平时，电机正转；当PH14为低电平、PH15为高电平时，电机反转；当PH15为低电平时，电机紧急停止。通过改变PH14、PH15的电平高低，可以实现电机的正反转以及停止运行。

图3 AQMD3608BLS与电机Z4BLd60-24GN的电路连接图

1.2 推杆驱动电路设计

推杆与扎线手臂相连，通过控制推杆的伸缩进而可以控制扎线手臂的上升与下降。推杆与扎线手臂连接，当需要扎线时，推杆推动扎线手臂上升，当扎线完成后，推杆推动扎线手臂下降。扎线手臂推杆驱动器选用步进电机驱动器TB6600，该驱动器具有以下特点：

（1）通过 3 位拨码开关选择 8 档电流控制（0.5A， 1A， 1.5A， 2A， 2.5A， 3A， 3.5A），实现用户的自主选择[11]；

（2）接口处采用高速光耦隔离，有效的实现了控制器与扎线手臂推杆的隔离，保护了控制器；

（3）通过 3 位拨码开关选择 7 档细分控制（1， 2/A， 2/B， 4， 8， 16， 32），可实现正反转控制[12]；

（4）自动半流减少发热量，大面积散热片不惧高温环境使用；

（5）抗高频干扰能力强[13]；

（6）具有输入电压防反接保护，可实现过热、过流短路保护。

步进电机驱动器 TB6600与推杆电路连接图如图 4所示。图中 PC6、PC7、PC8、PC9为与控制器STM32F429管脚相连。

图4 TB6600与推杆电路连接图

图5 LM2596电压转换电路

PC6为PWM脉冲输入端，PC9为控制推杆伸缩端口，当PC9为高电平时，推杆向上伸；当PC9为低电平时，推杆向下缩。PC8、PC7分别为推杆的上、下限位检测端口，当PC8为低电平时，推杆到达上限位，PC6端口停止输出PWM波，此时推杆将停止上升；当PC7为低电平时，推杆到达下限位，PC6端口停止输出PWM波，此时推杆将停止下降。通过对上、下限位电平高低的检测，实现对推杆的实时控制，防止推杆出现堵转现象，损坏推杆。

1.3 LM2596电源电路

该系统总体供电为12V电池组24V电压，但控制器与红外发射和接收电路的供电电压为5V，所以需要电压转换电路将24V电压转化为5V电压。LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性[14]。电压转换电路如图5所示，它的输出电压大小可根据反馈电阻R1的大小进行调节，调节R1电阻值的大小，使输出电压为5V。

1.4 红外发射与接收电路

红外发射和接收电路可实现控制器和扎线手臂之间的通信，当需要进行附挂扎线时，控制器发出相应指令来控制红外发射电路发出信号，扎线手臂内部的红外接收电路接收到信号后，扎线手臂推杆推动扎线手臂上升进行附挂扎线。红外发射电路选用芯片SYN113，红外接收电路选用芯片SY480R。红外发射电路如图6所示，红外接收电路如图7所示。图中PH13、PE6为与控制器STM32F429管脚相连。

图6 红外发射电路

图7 红外接收电路

2 系统软件设计

光缆全自动放线扎线机可工作前进模式、扎线模式以及后退模式，其中前进模式与后退模式实现工作过程中换扎线的功能，在这两种模式中只实现前进与后退操作不进行扎线。其软件流程图如图8所示，按键电路图如图9所示。

图8 软件流程图

控制器STM32F429管脚PE3，PE4，PE5分别与按键S2，S3，S4连接。在默认情况下（相应按键未被按下之前），PE3，PE4，PE5管脚电压为高电平。当装置打开开关按钮后，控制器执行程序进行初始化，接下来程序将进行循环检测装置处于哪种模式，通过按键可以选择装置处于不同的模式：

2.1 前进模式

当按下S2时，PE3管脚电平由高电平变为低电平，产生下降沿脉冲，此时为前进模式，不执行扎线功能，控制器输出一定占空比的 PWM波驱动行走电机并控制行走电机正转，装置将以0.2m/s的速度前进。

图9 按键电路图

2.2 后退模式

当按下 S3时，PE4管脚电平由高电平变为低电平，产生下降沿脉冲，此时为后退模式，不执行扎线功能，控制器输出一定占空比的PWM波驱动行走电机并控制行走电机反转，装置将以0.2m/s的速度后退。

2.3 扎线模式

当按下 S4时，PE5管脚电平由高电平变为低电平，产生下降沿脉冲，此时为扎线模式，程序接下来判断装置是否前行了50cm，若前行距离未达到50cm，则继续前行；若已经达到50cm，则行走电机以0.01m/s的速度前行，推杆开始上升，接下来判断推杆是否到达上限位，若没有到达上限位，则推杆继续上升；若已经达到上限位，则推杆停止工作，扎线手臂开始扎线，接下来判断扎线是否完成，若没有完成扎线，扎线手臂继续扎线；若已经完成扎线，则推杆下降，行走电机以 0.2m/s的速度继续前行，从开始以 0.2m/s速度前行时刻为起点，继续判断装置是否前行了50cm，接下来重复上述工作过程。

3 测试方法与测试结果分析

3.1 测试方法

扎线测试：利用升降装置将该系统上升到通信光缆处进行固定（固定是指将装置的两个滑轮放置在光缆线上），将所要放置的光缆线收缩于与从动轮连接的机械挂钩内，按下机箱上开关按钮，整体系统开始工作，按下按键S4，此时为扎线模式。行走电机开始前行，主动轮为整个装置提供动力，从动轮将通信光缆收缩在一起，便于扎线手臂进行附挂扎线，等到电机行走了50cm后，行走电机将以0.01m/s的速度前行，同时推杆开始工作，推动扎线手臂上升，等到推杆到达上限位，则推杆停止上升，控制器发送相应指令使扎线手臂开始工作，进行光缆扎线，等待扎线完成后，推杆开始下降，下降到推杆下限位时，推杆停止工作，之后行走电机开始恢复正常工作状态，以0.2m/s的速度继续向前行进，等到达下一个50cm处时，重复上述工作流程。

放线测试：将所要放置的光缆线在一端固定，利用升降装置将该系统上升到通信光缆处进行固定，将所要放置的光缆线收缩于与从动轮连接的机械挂钩内，按下机箱上开关按钮，整体系统开始工作，按下按键S2，此时为前进模式，行走电机开始前行，主动轮为整个装置提供动力，从动轮将通信光缆收缩在一起，当前进到距离光缆需要固定的另一端为50cm左右时，按下按键S4，此时转换为扎线模式，进行扎线操作，从而可以实现光缆放线的功能。

3.2 测试结果分析

表1 扎线距离测试（单位CM）

如表1所示，将扎线距离设置为50cm，经过3次测试，装置前行实测距离均为50cm，实际扎线距离分别为49.8cm、50.2cm、50.1cm，经过测试，该装置的扎线距离相对误差小于0.5%。

表2 扎线成功率测试

如表2所示，当扎线测试次数分别为20、40、60时，扎线成功次数分别为20、39、59，扎线的成功率分别为100%、97.5%、98.34%。经过测试，随着扎线测试次数的增加，扎线的成功率会有所降低，但扎线的成功率均达到95%以上。

4 总结

本文设计了一种基于STM32F429控制器的光缆全自动放线扎线机，通过电机与滑轮的组合可实现扎线机在通信光缆上匀速前进，每隔50cm扎线手臂自动扎线一次，扎线自动完成后，继续前行进行工作。整个过程实现全自动化，可以有效的解决传统通信光缆人工放线扎线中存在的安全隐患、操作困难、耗费大以及效率较低等问题。经过实测该扎线机功能齐全，稳定可靠，扎线距离相对误差小于0.5%，扎线成功率达到95%以上。