李高進， 范大任， 姜星星， 繆逢吉

(⒈上海交通大學，上海 200240； 2.大連船舶重工集團 大連造船廠船舶涂裝公司， 遼寧 大連 116005；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

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基于STM32F103的大包裝噴涂嵌入式控制系統(tǒng)設計

李高進1,3， 范大任2， 姜星星3， 繆逢吉3

(⒈上海交通大學，上海 200240； 2.大連船舶重工集團 大連造船廠船舶涂裝公司， 遼寧 大連 116005；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

隨著船舶行業(yè)雙組份涂料使用的日益廣泛，大包裝噴涂系統(tǒng)受到越來越多船舶企業(yè)和油漆廠商的關注。針對基于STM32F103的大包裝噴涂嵌入式控制系統(tǒng)進行了研究，對該控制系統(tǒng)硬件進行了最小系統(tǒng)、接口電路、顯示電路等方面的設計。利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對該控制系統(tǒng)軟件進行了系統(tǒng)架構設計，并利用μC/GUI軟件進行了圖形界面設計。

大包裝STM32F103控制系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)μC/GUI軟件

0　引言

目前，各大船廠施工使用的雙組份涂料主要用于船舶的壓載艙區(qū)域，占全船油漆用量的40%～45%左右。另外還有貨艙、船體外板、露天甲板、上層建筑外壁等區(qū)域，雙組份涂料相比單組份涂料具有耐腐蝕性強、抗沖擊性好、防腐周期長及施工周期短的優(yōu)勢，其優(yōu)異性能在行業(yè)中已得到了充分證實。

一般情況下雙組份涂料工藝有如下施工流程：配比混合、加溶劑、人工攪拌、熟化、噴涂?，F(xiàn)行工藝優(yōu)點[1]：(1) 設備結構簡單，操作簡便，施工靈活，易移動；(2) 設備成本低廉，易更換。現(xiàn)行工藝缺點：(1) 雙組份涂料混合、攪拌過程均由人工完成，配比、攪拌及熟化時間因人而異，易導致涂層質(zhì)量不穩(wěn)定；(2) 小桶油漆桶壁油漆殘留量較大，例如20 L的小桶油漆桶壁油漆殘留量達1 L左右。(3) 噴涂設備多，分布廣，管理、維修保養(yǎng)難度高。大量的廢油漆桶還需特殊處理，油漆桶的殘留油漆屬于危險品，需設置特定的場地堆放，由專人監(jiān)管，還需有償請環(huán)保公司回收。

隨著企業(yè)對成本控制和環(huán)保要求的日益提高，一般規(guī)格包裝(20 L/桶)雙組份涂料在這些方面正顯現(xiàn)出一些問題。這些問題不僅使得涂層無法發(fā)揮最佳效果，而且對船廠的生產(chǎn)成本和效率等方面產(chǎn)生了嚴重影響。筆者在進行充分市場調(diào)研的基礎上，決定引進韓、日等國船舶企業(yè)的先進理念，結合實際施工工藝，研制大包裝噴涂系統(tǒng)。該噴涂系統(tǒng)以GRACO公司XM噴涂機、大包裝涂料桶及其他輔助設備為基礎，進一步提高噴涂設備的自動化和智能化水平，加強噴涂作業(yè)全過程管理，簡化分段涂裝作業(yè)程序，降低生產(chǎn)成本。

為了實現(xiàn)大包裝噴涂系統(tǒng)的人員管理、原料管理和設備管理功能，我們開發(fā)了一套嵌入式控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)概述

XM噴涂機嵌入式控制系統(tǒng)具有參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示、故障報警、狀態(tài)指示、刷卡操作等功能。設備在作業(yè)過程中的所有相關數(shù)據(jù)都會保存到系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)置SD卡接口，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、拷貝，供管理人員進行數(shù)據(jù)管理、分析和處理。管理人員可以在電腦上對操作人員的權限進行更改，規(guī)定設備的作業(yè)規(guī)范要求，還可以對設備進行鎖定，使噴涂機在設置的范圍內(nèi)進行運行及操作。本套系統(tǒng)可以進行實時記錄、顯示油漆種類及實際用量、區(qū)分不同種類的油漆以及對油漆的余量進行統(tǒng)計、存儲。此外，系統(tǒng)還存儲設備的總運行時間，維修人員可以根據(jù)設備運行時間定期對設備進行維修保養(yǎng)。

2　系統(tǒng)組成

XM噴涂機嵌入式控制系統(tǒng)主要由以下部分組成：人機界面、基于STM32F103的控制主板、IC卡系統(tǒng)等。該系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)，IC卡管理統(tǒng)計程序，主板上還預留了一些端口，便于系統(tǒng)升級和功能擴展。人機界面采用高性能彩色顯示屏。系統(tǒng)使用小體積、高效率的內(nèi)置式電源模塊，也可外接電源輸入?？刂浦靼宀捎肧T公司32位ARM Cortex M3 Core高效CPU——STM32F103ZET6，其集成化程度高，可擴展性好。IC卡部分由寫卡器和讀卡器兩個部分組成，使用的是非接觸式射頻卡。

3　系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)硬件設計

嵌入式系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1　嵌入式系統(tǒng)結構框圖

嵌入式系統(tǒng)主要由核心板、接口板、人機界面、按鍵輸入和RF讀卡器組成。

3.1.1核心板

(1) STM32F103簡介。

核心板由基于STM32F103的控制主板及相關外圍電路組成，STM32F103為Cortex-M3處理器內(nèi)核，Cortex-M3是ARM公司的一款基于ARMv7體系的處理器內(nèi)核。它針對MCU領域，在存儲系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、調(diào)試接口等方面有很好的改進。Cortex-M3具有很多優(yōu)點：性能高而穩(wěn)定、低功耗、極低成本，非常適用于工業(yè)控制系統(tǒng)中[2]。據(jù)于此，將此處理器用于XM噴涂機嵌入式控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。

STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M結構的32位標準RISC(精簡指令集)處理器，代碼效率非常高，其ARM內(nèi)核的性能在8位和16位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮得淋漓盡致。該微處理器的工作頻率為72 MHz，內(nèi)置的Flash存儲器容量為128 K字節(jié)， SRAM容量為20 K字節(jié)， I/O端口大多為通用I/O端口，端口數(shù)量也很多。

(2) 核心板最小系統(tǒng)電路設計。

STM32F103最小系統(tǒng)電路中(見圖2)，包括阻容復位、系統(tǒng)時鐘、RTC時鐘、Bootloader控制、運行指示燈這幾個部分。下面對部分電路進行說明。

圖2　STM32F103最小系統(tǒng)電路

① 時鐘電路。

系統(tǒng)時鐘電路選用8 MHz的HSE晶體作為振蕩器晶振。如圖2所示，由R11、X2、C11及C12構成系統(tǒng)時鐘電路。通過設置時鐘控制寄存器RCC_CR中的HSEON位，可以設置HSE晶體的ON/OFF狀態(tài)。實時時鐘電路選擇LSE時鐘模式，由X1、C9及C10構成LSE旁路，提供一個32.768 kHz的外部時鐘源。LSE晶體可以選擇低速外部晶體(頻率為32.768 kHz)或陶瓷諧振器。它能夠給系統(tǒng)時鐘提供精準且功率消耗較低的時鐘源。

② 啟動模式選擇電路。

通過選擇BOOT[1:0]引腳可以有以下三種啟動模式。如表1所示。

表1　啟動模式

在系統(tǒng)進行RESET操作后，SYSLK的第4個上升沿，BOOT引腳的值將被鎖定存儲。此時通過改變BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來設置在RESET操作后的啟動模式。

3.1.2接口板電路設計

在接口板電路中，設計了AD采樣、DO輸出、DI輸入、按鍵輸入及RS232接口轉換等電路。

AD采樣電路采用了ADS8568芯片作為AD轉換芯片，該芯片具有16位AD采集，自帶6通道AD數(shù)據(jù)采集，設計采用了其中的4路作為AD采用電路，其他2路屏蔽。

在DO輸出電路中采用了獨立的4個Relay電路，輸出4個干接點，每個接點容量為1 A。在DI輸入電路設計中，采用了PS2801-1光耦處理，外部使用干接點輸入信號即可。

在RS232轉換電路設計中，將STM32F103ZET6中兩路的USART轉換為RS232，一路接讀卡器，用于讀卡寫卡操作；一路作為預留，可用于連接PC機或調(diào)試等用途。

3.1.3人機界面設計

人機界面選用的是群創(chuàng)7″屏AT070TN92，該屏配置有晶門公司TFT真彩色液晶顯示屏控制器——SSD1963，該控制器內(nèi)部集成有1 215 kB的幀緩沖器， 能顯示24位真彩色圖片，最大分辨率可達864×480，芯片可以接收來自不同總線寬度的微處理器并行接口傳送過來的圖片數(shù)據(jù)和命令，普通無RAM的LCD的驅(qū)動也可得到支持，色彩深度達到每像素點24位。

控制器支持8位串行RGB接口，亮度和對比飽和度可通過編程控制，通過脈寬調(diào)制信號控制動態(tài)背光控制(DBC)，可與單片機連接，具有8/9/16/18/24位單片機的接口，內(nèi)置時鐘發(fā)生器，具有4個GPIO引腳，其結構框圖如圖3所示。

圖3　SSD1963結構框圖

本控制系統(tǒng)中SSD1963外部引腳連接圖如圖4所示。

圖4　SSD1963的外部引腳連接圖

該電路采用SSD1963專用TFT屏控制芯作為7″TFT屏控制芯片，易于硬件設計和程序設計。

此外，控制系統(tǒng)還進行了RF讀卡器、RF控制電路及電源電路等設計，限于篇幅，不一一詳述。

3.2系統(tǒng)軟件設計

大包裝軟件控制部分是基于Keil uVision4開發(fā)環(huán)境之上采用C語言進行開發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)，通過編程使得該系統(tǒng)不僅能夠完成對噴漆作業(yè)過程控制，同時實現(xiàn)了作業(yè)過程數(shù)據(jù)的顯示及存儲，具有成熟的人機界面?？刂葡到y(tǒng)的軟件架構如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)的軟件架構

由控制系統(tǒng)的軟件架構可知大包裝軟件控制中采用了μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，同時植入了μC/GUI的圖形支持軟件，再加上用戶應用程序(APP)即形成了一套完整的軟件控制系統(tǒng)。其中應用程序APP即控制系統(tǒng)開發(fā)中基于μC/OS-Ⅱ和μC/GUI之上開發(fā)的應用程序代碼。

3.2.1實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是由Jean J.Labrosse于1992年編寫的一個嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)?？赏瑫r有64個就緒任務，通過任務的優(yōu)先級來進行任務的調(diào)度和切換。在μC/OS-Ⅱ任務處理中將任務分為“五態(tài)”，如圖6所示[4]。

圖6　任務狀態(tài)及相互關系

當有外界事件或數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)能夠接收并快速進行處理，處理的結果能在短時間內(nèi)反饋來控制任務過程或?qū)ο嚓P系統(tǒng)做出快速響應，同時控制所有實時任務的協(xié)調(diào)、一致運行。μC/OS-Ⅱ是一個具有多任務、多級中斷機制及優(yōu)先級調(diào)度機制的高實時性、多任務操作系統(tǒng)。非常適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2.2圖形支持軟件μC/GUI

μC/GUⅠ是一款用于嵌入式系統(tǒng)應用的圖形軟件。它可以為使用圖形LCD的應用提供用戶接口，這個接口不依賴于處理器和LCD控制器，軟件既支持單任務系統(tǒng)，同樣也支持多任務系統(tǒng)環(huán)境[5]。本軟件可以用于任何LCD 和CPU的物理和虛擬顯示。軟件的設計是模塊化的，由在不同模塊中不同的層組成。一個層為 LCD驅(qū)動程序，涵蓋了對LCD的全部訪問。μC/GUI適用于所有的CPU，因為它100%是由ANSI的C語言編寫的。

3.2.3軟件控制流程

大包裝A、B雙組份噴漆電氣控制采用ARM 32-bit Cortex-M3嵌入式控制系統(tǒng)對攪拌、噴漆的過程實施自動控制，過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(施工隊名稱、A、B油漆使用量、噴漆工作時間)自動保存到工作卡中。LCD顯示共分成三個部分：歡迎界面、設置界面和運行界面。作業(yè)的開啟和關閉由三個條件決定：①系統(tǒng)進入到運行界面；②工作卡放入卡槽且讀卡成功；③系統(tǒng)無低液位報警。三個條件任意一個不符合即大包裝雙組份噴漆無法進行工作。系統(tǒng)的控制流程如圖7所示。

由流程圖可知，控制箱上電后系統(tǒng)即進入運行狀態(tài)，液晶屏顯示系統(tǒng)的歡迎界面，此時按下Enter鍵系統(tǒng)即進入設置界面，在設置界面中可以對A、B噴漆泵的單位流量，A、B組份的初始值進行設置，設置完畢按下Enter鍵系統(tǒng)進入到運行界面，若按下Exit鍵則系統(tǒng)返回到歡迎界面，此外在設置界面中同時能顯示工作卡中的歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)進入運行界面后首先進行兩個條件判斷：讀卡是否成功以及是否有低液位報警，若存在低液位報警則系統(tǒng)進入中斷服務子程序處理報警，若讀卡未成功則結束即系統(tǒng)不再往下運行。如果讀卡成功且不存在低液位報警，則此時按下Enter鍵系統(tǒng)自動打開攪拌器，并在延時10 min后自動打開噴漆。若此時再次按下Enter鍵則系統(tǒng)關閉攪拌和噴漆，作業(yè)結束。

圖7　系統(tǒng)控制流程圖

4　調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題

在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，電源轉換電路中的電感選擇了貼片式，額定容量1 A，由于發(fā)熱量大頻頻出現(xiàn)焊點熔融，電感脫落，從而導致黑屏的現(xiàn)象。于是調(diào)整為額定容量為3 A的管腳式電感，問題解決，電感發(fā)熱正常，屏幕黑屏問題解決。

5　結束語

本控制系統(tǒng)硬件設計通過與軟件的結合，進行了軟硬件聯(lián)調(diào)，調(diào)試結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作可靠，本控制系統(tǒng)現(xiàn)已應用于大包裝XM噴涂系統(tǒng)樣機中。該樣機已經(jīng)在上海船廠船舶有限公司涂裝施工現(xiàn)場穩(wěn)定運行6個月，相比傳統(tǒng)單泵施工工藝，顯著降低了工人作業(yè)強度，省去了人工配比、攪拌環(huán)節(jié)，提高了配比精度；同時由于不再使用稀釋劑，顯著減少了VOC(揮發(fā)性有機氣體)的排放，為船舶企業(yè)綠色涂裝提供了技術支撐。

[1]沈國良.雙組份高壓無氣噴涂泵的發(fā)展[J].上海涂料, 2005,43(11):82-85.

[2]孫書鷹, 陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用[J].微計算機應用, 2010,31(12):59-63.

[3]盧有亮.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[4]葛欣,孟凡榮.使用μC/GUI開發(fā)圖形用戶界面[J].計算機工程與設計, 2005,26(1):253-255.

Embedded Control System Design of the Bulk Spray Based on STM32F103

LI Gao-jin1,3, FAN Da-ren2, JIANG Xing-xing3, MIU Feng-ji3

(1.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Dalian Shipyard Ship Painting Company,Dalian Shipbuilding Industry Group, Dalian Liaoning 116005, China;3.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

With the increasing application of two-component coatings in shipbuilding industry, more and more shipbuilding enterprises and paint manufacturers gave their attention to the bulk spray system. Embedded control system of the bulk spray based on STM32F103 was researched, including minimum system, interface circuit and display circuit was designed. Besides, the software architecture of control system has been designed with the μC/OS-Ⅱoperation system, the graphical interface was designed by μC/GUI software.

The bulkSTM32F103Control systemμC/OS-Ⅱ operation systemμC/GUI software

李高進(1980-)，男，工程師。

U662

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