楊 帆，李富善

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

步進(jìn)電機(jī)因其組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單、廉價(jià)及可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種控制裝置［1-3］。不論是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械化耕種，還是工業(yè)領(lǐng)域的各類產(chǎn)品的生產(chǎn)，絕大部分設(shè)備都或多或少的運(yùn)用了步進(jìn)電機(jī)［4-7］。但目前大多數(shù)的控制裝置中對步進(jìn)電機(jī)的控制，仍然是以有線、手動(dòng)的方式為主，系統(tǒng)繁雜操作不夠簡便，因而廣泛普及對步進(jìn)電機(jī)的無線控制就顯得越來越重要［8-11］。隨著單片機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，用單片機(jī)結(jié)合無線收發(fā)器來控制步進(jìn)電機(jī)的探索為這種需求提供了一種可行的思路［12-13］。魏印龍等［14］設(shè)計(jì)了一套基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過51單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，采用ULN2003A步進(jìn)電機(jī)控制芯片對不同精度的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制和調(diào)速控制；王晨光等［15］等分析了單片機(jī)的硬件接口電路并設(shè)計(jì)了對步進(jìn)電機(jī)的軟件控制的方式，提出對于不同步進(jìn)電機(jī)，可以通過修改相應(yīng)的電路及相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)，該設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)控制的靈活性；丁偉雄、楊定安等［16-17］首先介紹了步進(jìn)電機(jī)工作過程，然后探索了步進(jìn)電機(jī)的控制原理包括對電機(jī)采取的控制方式和驅(qū)動(dòng)方式做了進(jìn)一步的說明，最后采用51單片機(jī)來控制電機(jī)，并給出了兩種不同控制方式的具體實(shí)現(xiàn)方法。以上研究雖然對步進(jìn)電機(jī)的控制有了改進(jìn)，也使用了單片機(jī)作為控制核心，但是都采用有線控制的方式，對電機(jī)的控制仍然存在不足。

本文設(shè)計(jì)了一種通過上位機(jī)無線控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，改進(jìn)了以往的手動(dòng)有線的控制方式，增強(qiáng)了步進(jìn)電機(jī)對無線信號(hào)的響應(yīng)。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊如圖1所示，上位機(jī)模塊中操作員在控制界面上按下控制指令，指令便轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)據(jù)通過串口線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，nRF無線發(fā)射器獲取儲(chǔ)存在單片機(jī)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，并通過無線方式發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)模塊中nRF無線接收器接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)于緩存區(qū)，單片機(jī)從nRF緩存區(qū)獲取該數(shù)據(jù)信號(hào)，獲取數(shù)據(jù)后將該信號(hào)轉(zhuǎn)化成對步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)控制信號(hào)，傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（a）上位機(jī)，（b）下位機(jī)Fig.1 System structure：（a）upper computer，（b）lower computer

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用一塊51單片機(jī)與上位機(jī)用串口線相連，選用一塊配置成發(fā)射模式的nRF24L01芯片作為無線信號(hào)發(fā)射器（以下簡稱nRF）。上位機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)串口線發(fā)送給單片機(jī)，并由nRF芯片發(fā)射給下位機(jī)模塊。圖2為上位機(jī)模塊中單片機(jī)的電路原理圖。

2.2 下位機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用另一塊51單片機(jī)作為系統(tǒng)下位機(jī)模塊的控制中樞，選用另一塊配置為接收模式的nRF芯片作為無線信號(hào)接收器。單片機(jī)通過nRF芯片接收來自上位機(jī)的控制信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令發(fā)送給電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。下位機(jī)模塊中單片機(jī)的電路原理圖如圖3所示。

圖2 上位機(jī)模塊電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of upper computer module

圖3 下位機(jī)模塊電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of lower computer module

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，本設(shè)計(jì)選擇28BYJ48步進(jìn)電機(jī)作為被控對象，使用ULN2003驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。28BYJ48步進(jìn)電機(jī)共有4組線圈，共5根引出線。步進(jìn)電機(jī)與51單片機(jī)的接線圖如圖3所示，圖中CON5為步進(jìn)電機(jī)的引線端。輪流給步進(jìn)電機(jī)各引出端通電即可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)各線圈的接通與切斷由下位機(jī)模塊中單片機(jī)的P1.0和P1.3端控制。通電后，P1.0和P1.3端的電平均置為高電平，接著依次將P1.0和P1.2端的電平切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢取決于兩次接通電源之間的時(shí)間間隔，改變P1.0和P1.2輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。在本設(shè)計(jì)中設(shè)定步進(jìn)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速為 20 r/min，脈沖間隔為62.5 ms。最高轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/min，脈沖間隔為12.5 ms。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)作為上位機(jī)，通過串口數(shù)據(jù)線向單片機(jī)發(fā)送步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)了六個(gè)控制按鈕和兩個(gè)下拉選擇框，點(diǎn)擊控制界面上不同按鍵時(shí)PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送對應(yīng)的控制信號(hào)。上位機(jī)控制界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)控制界面Fig.4 Control interface of upper computer

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為5個(gè)檔，每按一次加速按鈕，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加一檔，增加到五檔后轉(zhuǎn)速不再加快，維持在第五檔；每按一次減速按鈕，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低一檔，降低到第一檔后轉(zhuǎn)速不再減慢，維持在第一檔。表1為電機(jī)檔位設(shè)定。上位機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。

上位機(jī)模塊中的單片機(jī)接收到來自上位機(jī)的串行信號(hào)后，整理信號(hào)并通過無線收發(fā)器實(shí)時(shí)發(fā)送給下位機(jī)模塊。上位機(jī)模塊中上位機(jī)與單片機(jī)之間通信方式為異步通信，nRF自動(dòng)重發(fā)次數(shù)限制為10次。本設(shè)計(jì)采用nRF芯片作為無線傳輸?shù)闹饕浇?，nRF收發(fā)器有兩種工作模式，發(fā)射模式和接受模式。本設(shè)計(jì)將上位機(jī)模塊中的nRF配置為發(fā)射模式。nRF工作在發(fā)射模式下的工作過程如下：

表1 電機(jī)檔位設(shè)定Tab.1 Motor gear position settings

圖5 上位機(jī)控制程序流程Fig.5 Flowchart of upper computer control program

首先將nRF24l01無線收發(fā)芯片配置為發(fā)射模式，開啟自動(dòng)重發(fā)和自動(dòng)應(yīng)答。按照時(shí)序在nRF芯片緩存區(qū)保存接受節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)，芯片CE端置高并將高電平保持10 μs準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)，130 μs后將數(shù)據(jù)發(fā)出。數(shù)據(jù)發(fā)射成功后nRF將工作模式自動(dòng)配置接收模式，等待應(yīng)答信號(hào)。若成功接收到應(yīng)答信號(hào)，表明通信成功，將緩存區(qū)中的內(nèi)容清除。若接收應(yīng)答信號(hào)失敗，則立即自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)重新發(fā)射達(dá)到10次，將MAX_RT端配置為高電平，保留緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)以便再次重發(fā)。MAX_RT端為高電平時(shí)，將IRQ端置為低電平，產(chǎn)生中斷通知單片機(jī)。發(fā)射成功后，檢查CE端狀態(tài)，當(dāng)CE端為低電平時(shí)nRF芯片進(jìn)入第一類空閑模式；若發(fā)送緩存區(qū)中有數(shù)據(jù)、CE端為高電平，則進(jìn)入下一次發(fā)射；當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中無數(shù)據(jù)、CE端為高電平時(shí)，則進(jìn)入第二類空閑模式。上位機(jī)模塊的單片機(jī)工作流程如圖6所示。

3.2 下位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)模塊中的單片機(jī)通過無線收發(fā)器接收到來自上位機(jī)的控制信號(hào)后，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。本設(shè)計(jì)將下位機(jī)模塊中的nRF芯片配置為接受模式，nRF工作在接受模式下的工作過程如下：

圖6 上位機(jī)模塊的單片機(jī)工作流程Fig.6 MCU workflow of upper computer module

首先將nRF24l01配置為接收模式，設(shè)定自動(dòng)應(yīng)答為開啟狀態(tài)，進(jìn)入接收狀態(tài)，檢測空中信號(hào)。檢測到空中信號(hào)后，將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在緩存區(qū)中，同時(shí)產(chǎn)生中斷，通知單片機(jī)取數(shù)據(jù)。接收方進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。接收成功時(shí)，CE變低，則nRF24l01進(jìn)入空閑模式。下位機(jī)模塊的工作流程如圖7所示。

圖7 下位機(jī)模塊工作流程Fig.7 Workflow of lower computer module

步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)與停止由啟停定時(shí)器控制，下位機(jī)模塊中的單片機(jī)根據(jù)接收到的速度控制信號(hào)改變速度參數(shù)值以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；同時(shí)根據(jù)接收到的方向控制信號(hào)，修改當(dāng)前方向控制位的電平狀態(tài)，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 控制系統(tǒng)實(shí)物連接

為控制電機(jī)按預(yù)定目的運(yùn)轉(zhuǎn)，使用C#語言在Visual Studio 2010編譯器上設(shè)計(jì)的上位控制界面如圖4所示，點(diǎn)擊控制界面上的控制按鈕，電機(jī)便做出相應(yīng)信號(hào)的響應(yīng)。圖8為系統(tǒng)上下位機(jī)模塊的元器件接線圖。

圖8 元器件接線圖Fig.8 Diagram of component connection

4.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

分別對控制系統(tǒng)做了上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊距離不同時(shí)的5組測試，測試條件及結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果Tab.2 Test results of system

4.3 調(diào)試結(jié)果分析

在20 m以內(nèi)時(shí)，下位機(jī)模塊對上位機(jī)模塊的實(shí)時(shí)響應(yīng)情況優(yōu)異，電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)以及加、減速控制良好；上、下位機(jī)模塊距離在20～25 m之間時(shí)，逐漸出現(xiàn)下位機(jī)無法接收信號(hào)的狀況，電機(jī)控制效果不佳；當(dāng)上、下位機(jī)模塊的距離超過25 m后，下位機(jī)模塊對上位機(jī)模塊發(fā)來的信號(hào)接收不穩(wěn)定，出現(xiàn)基本無法接收到上位機(jī)信號(hào)的狀況，同時(shí)對步進(jìn)電機(jī)的控制效果也變得極差。造成這種現(xiàn)象的原因是nRF模塊使用了板載天線，未使用PA+外接天線，再加上環(huán)境因素的干擾所致。調(diào)試結(jié)果說明在一定范圍內(nèi)該控制系統(tǒng)能夠完美達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種使用上位機(jī)遠(yuǎn)程無線控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)驗(yàn)證了上位機(jī)對步進(jìn)電機(jī)一對一的控制方式，取得了良好的控制效果。但是存在的不足是沒有深入驗(yàn)證上位機(jī)和多個(gè)步進(jìn)電機(jī)之間一對多的控制方式，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究上位機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的一對多的控制方案。