王鴻雁, 孟祥印, 趙 陽(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 成都 610031)

基于STM32的電動挖掘機信號無線傳輸系統(tǒng)①

王鴻雁, 孟祥印, 趙 陽
(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 成都 610031)

為解決電動挖掘機駕駛室與其電源車之間有線信號傳輸?shù)母蓴_和使用不便問題, 提供了一種信號對傳的無線解決方案. 以STM32微控制器為核心, 利用Modbus協(xié)議采集電源車變頻器數(shù)據(jù), 獲取電動挖掘機的用電狀態(tài)和使用數(shù)據(jù), 然后應(yīng)用ZigBee無線雙向通信協(xié)議傳送給駕駛室的STM32微控制板以顯示, 同時接收駕駛室的開機、調(diào)速等指令, 指揮電源車變頻器的工作. 實驗結(jié)果表明, 電動挖掘機的工作狀態(tài)采集, 以及數(shù)據(jù)的無線雙向傳輸均運行穩(wěn)定可靠, 成功實現(xiàn)各項功能, 具有廣泛的應(yīng)用前景.

電動挖掘機; 無線雙向通信; STM32; ZigBee; Modbus

隨近幾年來, 隨著國家對環(huán)境污染的重視, 純電動機逐漸取代燃氣機. 開發(fā)純電工程機械的需求越來越大. 工程機械作為國家建設(shè)的支柱, 對國家現(xiàn)代化建設(shè)的作用舉足輕重, 各國都對工程機械給予強烈關(guān)注, 工程機械是國家裝備制造能力的重要體現(xiàn). 工程機械的質(zhì)量性能反應(yīng)一個國家的綜合國力[1]. 而挖掘機則是應(yīng)用最廣泛的一種工程機械, 但其發(fā)展亟需解決以下幾個方面的問題: 第一, 減少對能源的消耗以及對空氣的污染; 第二, 改善操作人員的工作環(huán)境; 第三, 提高機械的工作效率; 第四, 提高智能化和自動化; 第五, 對危險工作場合的適應(yīng)性. 而電動挖掘機的出現(xiàn)則為以上問題的解決提供了一種新思路[2]. 但是,由于現(xiàn)場工作環(huán)境的限制, 目前電動挖掘機需要將駕駛室與提供動力的電源車分開, 兩者之間用動力電纜和信號電纜連接. 工作中拖曳兩根線十分不便, 兩根線纏繞在一起或做在一個電纜里又容易發(fā)生信號干擾問題.

為解決這一難題, 設(shè)計了一種基于STM32的無線傳輸方案, 采用ZigBee無線雙向傳輸技術(shù), 在駕駛室和電源車之間傳輸數(shù)據(jù)和指令. ZigBee技術(shù)可靠性高,抗干擾性強, 且為全雙工數(shù)傳[3], 從而保證數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性.

1 功能設(shè)計與平臺架構(gòu)

本平臺主要由電源車端控制系統(tǒng)與駕駛室端控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成. 控制系統(tǒng)的核心為STM32控制器.

電源車端功能主要是: 1)采集工作電機實時轉(zhuǎn)速和實時直流工作電壓兩個信號量, 并無線傳輸?shù)今{駛室端. 電源車內(nèi)的變頻器提供4-20mA的轉(zhuǎn)速信號, 直接從變頻器接線端子引出, 連接到平臺電源車端系統(tǒng)的STM32控制器. 工作電壓則是控制器與變頻器之間通過Modbus協(xié)議通信獲得. 控制器為通信的Master方, 變頻器為Slave. 2)控制電機的起停和轉(zhuǎn)速. 電源車端控制系統(tǒng)接收到由駕駛室端發(fā)出的開關(guān)機指令和調(diào)速指令后, 控制器控制變頻器工作, 起停或調(diào)速工作電機.

駕駛室端控制系統(tǒng)則需要實現(xiàn)兩個主要功能: 1)工作電機的實時轉(zhuǎn)速和工作電壓的顯示, 以及故障信號指示. 通過LCD顯示單元對由電源車端傳輸過來的轉(zhuǎn)速和電壓信號進行實時顯示. 2)采集由駕駛員通過駕駛操作器發(fā)出的開關(guān)機(工作電機起停)和速度調(diào)節(jié)指令, 并無線傳輸?shù)诫娫窜嚩丝刂葡到y(tǒng).

由于兩端數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同時進行的, 所以要求無線傳輸模塊具有全雙工通信能力[4]. 本平臺采用ZigBee無線模塊實現(xiàn)信號的無線雙向傳輸, 系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示.

圖1 平臺總體架構(gòu)

2 平臺硬軟件設(shè)計

2.1 主要硬件電路設(shè)計

1) 主控芯片最小系統(tǒng)

平臺中主控制器使用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F103VET6芯片作為主控制芯片, 該芯片是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器.具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點[5]. STM32特點如下:

內(nèi)核: ARM32位Cortex-M3 CPU, 最高工作頻率72MHz, 1.25DMIPS/MHz.

存儲器: 片上集成32-512KB的Flash存儲器. 6-64KB的SRAM存儲器.

低功耗: 3種低功耗模式: 休眠, 停止, 待機模式.為RTC和備份寄存器供電的VBAT.

調(diào)試模式: 串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口.

DMA: 12通道DMA控制器.

3個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道): A/D測量范圍: 0-3.6V. 雙采樣和保持能力. 片上集成一個溫度傳感器.

2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器: 最多高達112個的快速I/O端口.

最多達13個通信接口: 2個IIC接口, 5個USART接口, 3個SPI接口(18 Mbit/s), 兩個和IIS復(fù)用. CAN接口(2.0B), USB 2.0全速接口, SDIO接口[6].

挖掘機信號具有多路輸入輸出, 干擾能力較強等特性, 系統(tǒng)工作時需要對環(huán)境較強的適應(yīng)能力, 滿足野外工作的需求. STM32較強的抗干擾能力能夠滿足該傳輸系統(tǒng)要求.

2) 采集調(diào)速實時轉(zhuǎn)速信號的硬件電路

駕駛室操作器給出的調(diào)速指令信號和變頻器輸出的實時轉(zhuǎn)速信號均為4-20mA的電流信號, STM32控制器采用HCNR201作為主芯片再結(jié)合運放電路來設(shè)計該電流信號采集的外圍電路. 將采集到的4-20mA的電流, 通過硬件電路的I/V變換得到0-3.3V的電壓信號. 控制器通過ADC端口采集該電壓, 并進行工程量轉(zhuǎn)換, 從而實現(xiàn)對調(diào)速指令信號和實時轉(zhuǎn)速信號的采集與存儲. 其硬件電路圖如圖2所示.

圖2 駕駛室調(diào)速信號采集電路

3) 采集電機直流工作電壓的Modbus通信

電機的直流工作電壓只能通過在電源車端與變頻器的數(shù)字通信方法獲得. STM32F103VET6通過UART3和UART-485轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建RS-485[7]通訊接口的硬件電路. Modbus的傳輸協(xié)議有ASCLL和RTU兩種, 本系統(tǒng)采用RTU 模式. 該模式下每一個完整的數(shù)據(jù)幀包含: 地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗碼(低字節(jié)、高字節(jié)). 利用Modbus RTU協(xié)議采集變頻器給出的電機工作直流電壓的示例如圖3所示.

圖3 Modbus RTU通信示例

4) 電機起?？刂齐娐?/p>

電機的起?？刂? 是通過對變頻器發(fā)出繼電器觸點信號實現(xiàn)的. 本控制器利用三極管驅(qū)動繼電器線圈.

控制芯片輸出電壓為3.3V, 三極管導(dǎo)通壓降為0.7V, 設(shè)基極電阻2K歐姆, 此時三極管的基極電流則為:

繼電器線圈阻抗400歐姆, 則三極管驅(qū)動繼電器的集電極電流為:

三極管放大倍數(shù)為:

故可選S8050三極管. 其電路圖如圖5所示. 圖4中與繼電器線圈并聯(lián)的是一個續(xù)流二極管.

5) 電機轉(zhuǎn)速控制電路

電機轉(zhuǎn)速的控制室通過給變頻器輸出的模擬量來實現(xiàn)的. 模擬量的輸出采用PC817芯片, 其應(yīng)用電路如下圖5所示. 當(dāng)主控芯片的P3引腳輸出0-3.3V時, J7兩端輸出對應(yīng)的電壓.

圖4 電機起?？刂齐娐?/p>

圖5 模擬量輸出電路

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)所需功能, 電源車端程序流程圖如圖6所示. 系統(tǒng)初始化后, 檢測是否發(fā)生中斷, 如無中斷產(chǎn)生, 則進入數(shù)據(jù)發(fā)送模式. 由于對只需對數(shù)值進行顯示, 故數(shù)據(jù)包頻率設(shè)置不需太高, 程序每隔100ms依次讀取轉(zhuǎn)速和工作電壓數(shù)據(jù)ADC值和Modbus返回值, 并將所得數(shù)據(jù)存入數(shù)組中發(fā)送到駕駛室端. 當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷時, 系統(tǒng)會打斷主程序中正在進行的程序轉(zhuǎn)而進入中斷程序. 中斷有Modbus中斷、故障中斷以及接收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷, 其中, Modbus中斷和故障中斷都會以數(shù)據(jù)的形式通過信號量發(fā)送給主程序, 而在接收到駕駛室端的信號時所產(chǎn)生的中斷會控制繼電器產(chǎn)生開關(guān)機動作或者控制DAC輸出.

圖6 電源車端STM32控制器程序流程圖

駕駛室端程序任采用主循環(huán)+中斷的模式, 系統(tǒng)初始化后進入主程序中循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù). 由于對實時性要求相對較高, 主程序每隔10ms讀取采集到的調(diào)速數(shù)據(jù)和開關(guān)機信號, 然后存儲數(shù)據(jù)至數(shù)組中, 再以無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)至電源車端. 系統(tǒng)開機即檢測是否發(fā)送中斷, 中斷目的之一為采集開關(guān)機指令, 當(dāng)接收到開關(guān)機信號時, 系統(tǒng)進入中斷, 將開關(guān)機信號以0x25和0x26兩種指令保存至發(fā)送數(shù)據(jù)幀中, 同主程序一并發(fā)送給電源車端產(chǎn)生電源車端的的動作中斷. 當(dāng)無線接收到電源車端信號時產(chǎn)生另一中斷即數(shù)據(jù)接收中斷,接收到的數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)工作的實時轉(zhuǎn)速和工作電壓, 這兩個數(shù)據(jù)會通過屏幕顯示給操作員. 而接收到故障信號時, 駕駛室端的警報燈受繼電器操作會不斷閃爍提醒查看故障原因. 駕駛室端程序流程圖如圖7所示.

圖7 駕駛室端程序流程圖

3 數(shù)據(jù)處理與無線通信設(shè)計

3.1 全雙工無線數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee技術(shù)是ZigBee聯(lián)盟基于低功耗、低成本、全雙工的目標推出的一種通信協(xié)議[8], 主要作為嵌入式設(shè)備的通信協(xié)議, 廣泛用于電子設(shè)備, 智能家居,自動化, 工業(yè)控制中[9]. 其主要優(yōu)點有: 1) 低功耗. 其內(nèi)部通過降低傳輸數(shù)據(jù)量與幀開銷, 實行嚴格的功率控制. 2) 低成本. ZigBee模塊的嵌入能力比較強, 適合在電路板上整合. 3) 可靠性高. 采用載波監(jiān)聽多址訪問、沖突避免和完全握手方式, 以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃? 4) 工作頻段靈活.

在本平臺的程序設(shè)計時, 無線傳輸?shù)拿恳粠瑪?shù)據(jù)均加入了首位校驗位和末位校驗位; 當(dāng)校驗均正確時,才開始處理數(shù)據(jù), 從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性[10].

3.2 數(shù)據(jù)插值處理算法

模擬量采集電路雖然經(jīng)過Multisim軟件的仿真,并且經(jīng)過了實際硬件電路的驗證, 但考慮長期使用過程中硬件電路元器件的偏差以及環(huán)境影響, 電流信號從進入到模擬量采集電路中被STM32采集后到被模擬量輸出電路輸出后并不完全吻合, 存在一定的偏差.這就需要對采集到的數(shù)據(jù)進行插值處理[11]. 典型的插值公式如下所示:

考慮到輸入為4-20mA, 對公式進行變化可得到如下所示:

式中, V0表示初始值W=X-4表示電流從4mA開始, I表示單位量為1. XXLXH分別代表插值的數(shù)據(jù).

表1所示即為經(jīng)過插值前后的數(shù)據(jù).

4 測試與結(jié)論

本平臺基于STM32系列的MCU, 利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)和ZigBee無線通信協(xié)議, 實現(xiàn)了電動挖掘機駕駛室與電源車相關(guān)信號的采集控制及兩者之間的無線雙向數(shù)據(jù)通信. 在成都高新西區(qū)一測試場內(nèi)經(jīng)過一周的連續(xù)工作測試與檢驗發(fā)現(xiàn): 在連續(xù)工作模式下,數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀率控制在1%以下, 當(dāng)檢測到系統(tǒng)未能接收到信號時, 通過軟件過濾無用幀數(shù)據(jù), 由于系統(tǒng)對實時性要求不高, 丟棄一幀數(shù)據(jù)對控制與顯示無任何影響. 平均反應(yīng)時間控制在1ms以內(nèi). 連續(xù)工作24h后, 系統(tǒng)無異常, 電源車與挖掘機端的纜線距離最大為50m, 工作時直線距離在不超過40m時信號發(fā)送無任何錯誤. 系統(tǒng)工作時, 開啟藍牙、紅外、ZigBee模塊對其進行干擾, 系統(tǒng)無任何異常, 使用手機與對講機時, 系統(tǒng)也無異常反應(yīng). 即人工產(chǎn)生信號干預(yù)時,系統(tǒng)正常. 實際驗證證明該平臺實現(xiàn)了所有功能, 電源車與平臺的實物圖如圖8所示.

圖8 電源車端與平臺實物圖

駕駛室端控制器收到電機工作電壓和當(dāng)前轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)后的LCD顯示屏如圖9所示.

圖9 駕駛室端LCD顯示

實際試驗表明, 平臺性能穩(wěn)定可靠. 考慮多臺電動挖掘機同場地作業(yè)情況, 由ZigBee搭建的無線組網(wǎng)傳輸模式在無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)幀中還可以增加目的地址、源地址等信息, 便于信號配對.

1 楊國永,谷侃鋒,沙清泉.一種新型電動挖掘機整體.機械設(shè)計與制造,2012,(11):61–63.

2 宋路剛.淺談電動挖掘機中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用.科技致富向?qū)?2015,(11).

3 劉繩武,范紅,蔡衛(wèi)峰.基于ARM+ZigBee的智能家居防盜報警系統(tǒng).計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2015,24(2):257–260.

4 張衛(wèi)星,張桂香,譚成午.基于STM32的環(huán)境多點監(jiān)測統(tǒng)設(shè)計.計算機測量與控制,2014,22(10):3141–3143.

5 Wang HW, Tian X, Du GH, et al. Wireless sensor network platform based on STM32. Advanced Materials Research, 2013, 787:1011–1016.

6 任順航,呂鵬鵬,王立鵬,等.基于STM32的電能手抄系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1):75–78.

7 郝曉軍,呂璠.實時監(jiān)測控制系統(tǒng)中CRC校驗結(jié)合線性插值糾錯技術(shù)研究.制造業(yè)自動化,2009,31(9):192–194.

8 龐泳,李光明.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)改進研究.計算機工程與設(shè)計,2014,35(5):1547–1550.

9 Wang GW, Lu SL. Smart home gateway based on ZigBee technology.國際設(shè)備工程與管理(英文版),2015,20(4):240–249.

10 張猛,房俊龍,韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(z1):171–176.

11 郭樂,潘濟猛,盧家力,等.插值算法在智能變電站中的應(yīng)用.電力自動化設(shè)備,2010,30(10):103–105.

Wireless Signal Transmission System of Electric Excavator Based on STM32

WANG Hong-Yan, MENG Xiang-Yin, ZHAO Yang
(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to solve the problem of interference and inconvenience due to the use of wired signal transmission between the driving cab and the power supply car of the electrical excavator, the wireless signal transmission solution is proposed. With STM32 microcontroller as the core, use Modbus protocol to collect data of power supply car, and obtain the electric state and data of the electric excavator. ZigBee communication protocol is applied to transmit the data to the STM32 micro control panel in the cab for display, at the same time to receive the speed and other instructions of the cab to command the inverter of power car. Experimental results show that the working states acquisition and the wireless bidirectional data transmission is stable and reliable, and the various functions are realized successfully. It can be prospected that such a wireless bidirectional data transmission solution will be used in a wide range of applications.

electric excavator; wireless two-way communication; STM32; ZigBee; Modbus

四川省科技支撐計劃(2016GZ0194)

2016-07-12;收到修改稿時間:2016-09-27

10.15888/j.cnki.csa.005763