李通 韓建萍 魏誠

【摘 要】 可編程控制器在工業(yè)控制中取得了巨大成功，但是也存在價格昂貴、維護(hù)成本高等問題。本文利用STM32單片機(jī)設(shè)計了一種可用于小規(guī)模控制場合的電氣控制器，該控制器包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。文中主要論述電氣控制器各模塊設(shè)計思路并給出部分模塊電原理圖，電氣控制器采用硬件模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了電源模塊、CPU模塊、高速IO模塊、普通IO模塊、通信模塊及其他輔助模塊。目前，該控制器已完成樣機(jī)試制，并在山西某立體車庫上進(jìn)行功能測試，測試效果良好，具有很大實用性。

【關(guān)鍵詞】 STM32單片機(jī);電氣控制;可編程控制器

【中圖分類號】 TP23 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）04-0100-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1概述

在工業(yè)控制領(lǐng)域，可編程控制器發(fā)揮了巨大作用，但是在小規(guī)模應(yīng)用場景中也存在價格昂貴、維護(hù)成本高的問題。針對上述問題，文中采用32位高性能單片機(jī)設(shè)計了一種可用于小規(guī)模控制場合的電氣控制器。硬件上采用模塊化隔離設(shè)計理念，不同電壓等級的模塊之間采用電氣隔離措施，提高控制器的抗干擾性和安全性。下面詳細(xì)介紹電氣控制器各模塊的設(shè)計思路及部分模塊電原理圖。

2電氣控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制器主要由電源模塊、CPU模塊、普通IO模塊、高速IO模塊、后備電源模塊、CAN總線通信模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊、掉電檢測及報警模塊，共計9個模塊組成。電氣控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3電氣控制器硬件模塊設(shè)計

3.1電源模塊硬件設(shè)計

電源模塊為控制器的各模塊提供穩(wěn)定的電能，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電源模塊由電源濾波電路、5V電源轉(zhuǎn)換電路、5V電源隔離電路和3.3V輸出電路組成。

電源濾波電路主要為整個控制器和輸入輸出接口電路提供干凈的電源（此處外部電源采用24V直流電源）。它采用型號為UU9.8-10mH共模電感、保險絲、熱敏電阻、二極管等輔助元器件，實現(xiàn)濾除外部電源中的干擾并具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和防接反功能。5V電源轉(zhuǎn)換電路采用LM2576-5.0開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片輸出5V電壓為高速IO模塊供電。5V電源隔離電路采用金升陽公司的型號為F0505S-2WR2的電源隔離模塊實現(xiàn)與外部電源的電氣隔離，主要為普通IO模塊、通信模塊供電，經(jīng)轉(zhuǎn)換為3.3V后為CPU模塊供電。

3.2 CPU模塊硬件設(shè)計

CPU模塊是電氣控制器的核心部件，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

CPU芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能單片機(jī)STM32F103ZET6芯片，該單片機(jī)采用Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，指令的平均執(zhí)行速度可達(dá)1.25MIPS/Mhz，即每條指令的執(zhí)行時間約為11ns。該芯片共有144引腳，64KB的SRAM、512K的FLASH，片內(nèi)資源豐富，性能穩(wěn)定，功耗低，滿足設(shè)計要求。

CPU模塊除了SWD程序下載電路、時鐘電路、復(fù)位電路等最小系統(tǒng)電路外，還設(shè)計了后備電源電路、狀態(tài)指示電路，利用片內(nèi)的串行通信控制器設(shè)計RS232和RS485通信模塊，利用CAN總線控制器設(shè)計了CAN通信模塊，利用IO接口設(shè)計了高速IO模塊、普通IO模塊和掉電檢測及報警模塊。

3.3 IO模塊硬件設(shè)計

IO模塊整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，分為高速輸入接口和高速輸出接口，普通輸入接口和普通輸出接口4種。

高速輸入接口即高速DI，控制器中共設(shè)計了兩路高速DI，電路原理圖如圖5所示。

由圖5可知，高速DI電路采用日本東芝公司的高速光耦TLP109，根據(jù)TLP109的數(shù)據(jù)手冊可知，該芯片的隔離電壓為≥3750V;該電路只能接入NPN型信號，即X01處為低電平時PG5/X01處也為低電平。該電路可輸入頻率不大于100kHz，幅值為24V的方波信號。

高速輸出接口即高速DO，高速DO由兩部分組成，第一部分作用是實現(xiàn)控制器端口和輸出驅(qū)動電路的電氣隔離，如圖6（a）所示;第二部分的作用是驅(qū)動外部電路正常工作，如圖6（b）所示。

第一部分采用Analog Devices公司的雙通道數(shù)字隔離芯片ADuM1200ARZ。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，該芯片的隔離電壓為25kV，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)25Mbp。

第二部分采用美國ON Semiconductor公司的MJD122達(dá)林頓功率三極管驅(qū)動外部電路。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，該芯片最大可輸出8A電流，電平轉(zhuǎn)換時間與輸出電流有關(guān)系，最大轉(zhuǎn)換時間<3us，因此，理論轉(zhuǎn)換速率可達(dá)300kHz左右。

普通輸入接口即普通DI，電原理圖如圖7所示。

控制器中共設(shè)計了22路普通DI，它設(shè)計為既可輸入NPN信號也可輸入PNP信號，圖7所示電路為電氣控制器中一路輸入通道電原理圖，輸入信號從X25處輸入，若傳感器為NPN型信號則將0歐電阻R255焊接;若傳感器為PNP型信號則將0歐電阻R254焊接，隔離光耦采用型號為LTV354T的交流光耦，輸出端接入單片機(jī)的PG1引腳。（注意：R254和R255不可同時焊接）

普通輸出接口即普通DO，電原理圖如圖8所示?？刂破髦泄苍O(shè)計了12路普通DI。下面以其中一路來說明電路構(gòu)成，圖8中ULN2803A為8路輸出500mA的達(dá)林頓管，PD5/Y00～PA8/Y07分別于單片機(jī)IO口相接，RELAY00～RELAY07分別于對應(yīng)的繼電器線圈及指示燈相連接，

COM00為公共端口，Y00與外部負(fù)載相接。輸出繼電器采用富士通公司的F3AA024E繼電器，線圈輸入電壓24V，輸出即可以驅(qū)動直流驅(qū)動器，也可以驅(qū)動交流驅(qū)動器;最大電流3A。

3.4通信模塊硬件設(shè)計

通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示，模塊包括CAN總線通信接口、RS232通信接口、RS485通信接口。

CAN總線是工業(yè)控制中最常用的通信總線之一。電氣控制器中采用TI公司的ISO1050CAN總線隔離芯片實現(xiàn)CAN總線電平轉(zhuǎn)換，該芯片具有輸入輸出電氣隔離功能，極大地保護(hù)了CPU模塊上的CAN控制器模塊的安全。

RS232和RS485也是常用的串行通信接口，在電氣控制器中分別采用ADM3251E和ADM2587E通信隔離轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)將CPU模塊中的TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平和RS485電平。電路設(shè)計簡單，安全可靠，也保護(hù)了CPU的安全。

3.5掉電檢測模塊硬件設(shè)計

掉電檢測模塊主要作用是當(dāng)外部電源因故障失壓時，控制器可以將RAM中的工作數(shù)據(jù)保存到FLASH中，在電壓恢復(fù)時，再恢復(fù)到斷電前的工作狀態(tài)，保證控制器工作的連續(xù)性。

4總結(jié)

基于STM32單片機(jī)的電氣控制器采用高低電壓隔離，通信隔離的硬件電路設(shè)計方式，提高了控制器的安全性與可靠性。

目前，試制后的樣機(jī)已在山西某公司的垂直循環(huán)車庫上完成驗證性試用，效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求。

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