劉澤玲，周智榮，張 偉

（中航電測儀器股份有限公司，西安710100）

在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)，常需要對多種飼料按科學(xué)的比例進行配料，而在大型牧場，若采用傳統(tǒng)的人工稱量配料，會耗費大量的時間。近年來，隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，為了提高養(yǎng)殖效能，許多畜牧養(yǎng)殖場對精準(zhǔn)車載配料系統(tǒng)的需求越來越多[1]，將配料稱重顯示儀配備在飼養(yǎng)車上，可以在飼養(yǎng)車輛行進過程中邊配料邊喂養(yǎng)，從而節(jié)省很多時間，為此要求配料稱重儀表具有高的可靠性和高的配料精度。在此，選用ARM 單片機STM32F407，設(shè)計了一款能夠在飼養(yǎng)車行進中輸出精準(zhǔn)重量的車載配料稱重顯示儀。

1 車載配料稱重顯示儀硬件設(shè)計

STM32F407 單片機是ST 公司基于ARM Cortex M4 內(nèi)核的微控制器，主頻可達168 MHz；片內(nèi)集成了先進的外設(shè)，其可配置的GPIO 多達114 個，通訊接口有15 種：I2C，SPI，串行接口、CAN 接口、外存接口等，內(nèi)部的Flash 存儲器可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲[2]。故在此選用STM32F407 作為控制核心，用于接收來自內(nèi)置信號采集模塊或外置數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)，檢測儀表按鍵組的狀態(tài)，實現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置、工作模式的設(shè)置、多界面的切換等，并驅(qū)動5位數(shù)碼管顯示。

該儀表結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。STM32F407 通過CAN 總線接收重量數(shù)據(jù)，通過按鍵組接收用戶的操作信號，其片內(nèi)Flash 用于存儲儀表參數(shù)，LED 數(shù)碼管用于重量顯示及狀態(tài)提示，聲光提醒模塊用于配料提醒及故障提醒，485 接口用于驅(qū)動點陣式LED大顯示屏，USART 接口可用于程序升級，WiFi 模塊可用于與管理平臺通訊。

圖1 儀表結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Instrument structure block diagram

儀表內(nèi)置的信號采集模塊，用于采集處理模擬傳感器的信號，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包含信號調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、MCU 處理及CAN 接口電路。信號調(diào)理電路將模擬傳感器的mV 級信號進行調(diào)理放大，A/D 轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理放大后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出給采集模塊MCU進行處理，該MCU 將此數(shù)字值轉(zhuǎn)換成重量值，通過CAN 接口傳輸給STM32F407。

圖2 信號采集模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of signal acquisition module

若儀表外采用數(shù)字傳感器，則不需要信號采集模塊的處理，STM32F407 通過CAN 接口接收數(shù)據(jù)即可。CAN 收發(fā)器的電路原理如圖3所示。

圖3 CAN 收發(fā)器的電路原理Fig.3 Circuit schematic of CAN transceiver

電源調(diào)理模塊用于給儀表內(nèi)各模塊及元器件供電。

采用GPIO 端口接收來自按鍵組的用戶操作信號。按鍵組含有1 個電源開關(guān)鍵、5 個功能鍵。其中電源開關(guān)鍵可實現(xiàn)儀表的一鍵開關(guān)機；功能鍵可單獨使用，也可組合使用，用于儀表參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定、稱重模式設(shè)置、多界面的切換及各流程的狀態(tài)切換等。

采用GPIO 端口輸出開關(guān)量信號，驅(qū)動聲光提醒模塊，用于在配料過程中，配料重量接近設(shè)置范圍時給配料人員提供聲音提示或燈光提醒。當(dāng)儀表出現(xiàn)故障時，STM32F407 也會驅(qū)動聲光報警。

STM32F407 通過SPI 接口控制LED 顯示驅(qū)動芯片，驅(qū)動LED 數(shù)碼管顯示，用于顯示稱重模式下的重量，同時在各界面的流程控制中進行相應(yīng)狀態(tài)提示。

儀表的485 接口電路用于STM32F407 與點陣式LED 大顯示屏的通訊。通過大顯示屏顯示相關(guān)信息。

USART 接口用于ISP 程序升級。

WiFi 模塊可用于將重量上傳至系統(tǒng)管理平臺，管理平臺也可向儀表發(fā)送廣播信息等。當(dāng)儀表檢測到故障時，可將故障碼通過WiFi 發(fā)送至平臺。

2 軟件設(shè)計

2.1 總體流程

總體流程如圖4所示。儀表在上電對各外設(shè)初始化后，讀出Flash 內(nèi)的參數(shù)，并使能一鍵開關(guān)機電路的電源驅(qū)動，通過CAN 接口讀取采集模塊的關(guān)鍵參數(shù)，然后進入主界面稱重界面，顯示重量/超載等信息。同時，開啟定時器中斷、CAN 中斷，在定時器中斷中每250 ms 發(fā)送1 次讀取采集模塊重量的CAN 指令，在CAN 中斷中接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)。開啟各按鍵端口的外部中斷，在外部中斷中對按下的功能鍵進行消抖，消抖后對按鍵標(biāo)志置1，此時STM32F407 結(jié)合功能鍵的狀態(tài)執(zhí)行功能操作或狀態(tài)切換，并進行各狀態(tài)下的顯示；若檢測到開關(guān)機鍵長按下，則斷電關(guān)機；若未檢測到開關(guān)機鍵按下，則在各界面一直循環(huán)下去。

在稱重界面下，模式0 或模式1 時，結(jié)合Flash存儲的參數(shù)對重量修正，將重量/超載等信息進行顯示，并結(jié)合功能鍵執(zhí)行相應(yīng)的功能操作或狀態(tài)切換，也可由功能鍵進入設(shè)置界面。

圖4 總體流程Fig.4 Total flow chart

在設(shè)置界面下，可進入多參數(shù)設(shè)置、滿程目標(biāo)值設(shè)置、標(biāo)定、修正設(shè)定、超載門限設(shè)定、工作模式設(shè)定、稱重單位設(shè)定等二級界面。首先進入菜單選擇界面，此時結(jié)合按鍵可進行二級界面的選擇；在各二級界面下，可結(jié)合功能鍵執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)切換，也可由功能鍵退出設(shè)置界面，進入稱重界面。同時，在各界面流程控制中，驅(qū)動數(shù)碼管進行實時狀態(tài)顯示。

2.2 CAN 接口編程

由于CAN 總線具有可靠性高、功能完善、成本較低等諸多優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域[3]?？紤]到其具有可靠的錯誤檢測和出錯處理功能，在此采用CAN 接口實現(xiàn)STM32F407與采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸，波特率采用500 kb/s。

CAN2 接口發(fā)送1 幀數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

另外，在數(shù)據(jù)幀中均增加了校驗數(shù)據(jù)，接收方收到數(shù)據(jù)幀進行解析時按照約定的格式計算校驗值，若該校驗結(jié)果與數(shù)據(jù)幀中的校驗數(shù)據(jù)一致，則做出相應(yīng)的回復(fù)或處理，否則不予處理。

數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)約定格式見表1，其中含有幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)、校驗等信息。

2.3 流程控制操作錯誤保護

在各一級界面、二級界面的流程控制中，各狀態(tài)的切換以輸入條件和當(dāng)前狀態(tài)為依據(jù)，輸入條件主要是各功能鍵的狀態(tài)，另外在不同界面中還包括其他對應(yīng)條件。

具體工作過程為：判斷當(dāng)前外界輸入條件是否滿足當(dāng)前界面、當(dāng)前狀態(tài)下的輸入條件，若滿足則狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一狀態(tài)；否則停留在當(dāng)前狀態(tài)。

表1 編幀格式Tab.1 Frame format

2.4 參數(shù)存儲保護

為防止Flash 內(nèi)部的參數(shù)丟失，采用備份的方式，將數(shù)據(jù)分別存儲于2 個不同的扇區(qū)。

在對參數(shù)進行存儲時，首先對待存儲數(shù)據(jù)進行CRC16 校驗，將數(shù)據(jù)和校驗值存入后，再將數(shù)據(jù)讀出進行CRC16 校驗，將計算所得校驗值與讀出的校驗值進行比對。若相等，說明存儲正確，否則將再次存儲原始參數(shù)，重復(fù)以上步驟；重復(fù)存儲3 次仍不能正確存儲，則顯示“Err”提示。

在每次讀取時，先讀出存儲扇區(qū)的數(shù)據(jù)進行CRC16 校驗，若計算所得校驗值與讀出的校驗值相等，說明參數(shù)正確；否則參數(shù)錯誤，則將備份扇區(qū)的數(shù)據(jù)讀出進行判斷，若參數(shù)正確則采用該備份數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)再次存儲；若參數(shù)仍錯誤，則采用程序中預(yù)先定義的數(shù)組[4]中的出廠默認參數(shù)。

3 測試試驗

3.1 采集精度測試

該儀表在正式使用前分別接模擬傳感器、比率校準(zhǔn)器進行全面的精度測試，試驗結(jié)果見表2。在常溫下，信號源為模擬傳感器時，系統(tǒng)綜合精度為2．2×10-4；在-30～70 ℃溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)綜合精度為5×10-4，完全可滿足牧場配料的精度要求。

表2 精度測試結(jié)果Tab.2 Accuracy test results

3.2 振動試驗

在振動試驗機上，采用表3所列的振動頻率、功率譜密度和加速度進行32 h 的振動試驗，其振動頻譜如圖5所示。振動停止后，儀表仍能正常工作，表明振動對儀表性能無明顯影響。

表3 振動頻率和能量譜密度Tab.3 Vibration frequency and energy spectral density

圖5 振動頻譜Fig.5 Vibration frequency

4 結(jié)語

采用單片機STM32F407 實現(xiàn)儀表的多界面流程控制和CAN 通訊采集，不僅具有較高的可靠性，而且編程采用標(biāo)準(zhǔn)C 語言，便于程序的修改與優(yōu)化。所設(shè)計的畜牧車配料稱重儀表具有可靠性高、可操作性強、配料精度高等優(yōu)點。該設(shè)備操作方便，實現(xiàn)了人機對話，目前已在河南某牧場中投入使用。經(jīng)試驗證明：該儀表工作穩(wěn)定，可以滿足牧場配料控制的要求。