劉衛(wèi)莊，洪先亮，李瑞敏

（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

對(duì)于全民的科學(xué)教育，科技館已經(jīng)成為全民學(xué)習(xí)科普知識(shí)的重要場(chǎng)所。但隨著科技館建設(shè)的全面展開，科技館展品廠家越來越多，展品的種類也越來越多，這樣就導(dǎo)致了展品的控制單元種類眾多，控制方法眾多，從后續(xù)的維修、維護(hù)、升級(jí)與可持續(xù)性發(fā)展來看，無法達(dá)到科普展品的通用性要求，急需設(shè)計(jì)一種能基本適用于科技館展品的通用控制單元。

1 科技館科普展品組成

科技館科普展品一般有機(jī)械機(jī)構(gòu)、電氣控制、計(jì)算機(jī)控制和機(jī)電設(shè)備等組成。通過對(duì)這些設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)的分析，控制單元需具備：①輸入量采集功能（傳感器、按鈕等）；②輸出驅(qū)動(dòng)功能（電機(jī)、電磁閥、燈光等）；③數(shù)據(jù)顯示功能（顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及互動(dòng)數(shù)據(jù)）；④數(shù)據(jù)通信功能（和計(jì)算機(jī)，投影機(jī)通信、UPS 通訊、中控系統(tǒng)通信等）。

控制單元主要由STM32F103RC 處理器為核心，展開電子電路設(shè)計(jì)，組成一個(gè)能適用于科技館展品控制的單元系統(tǒng)，能夠根據(jù)展項(xiàng)的具體控制功能及要求搭建電氣控制系統(tǒng)，使其科技館展品控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，容易設(shè)計(jì)，為后續(xù)的設(shè)備管理、維護(hù)及擴(kuò)展奠定好基礎(chǔ)。

2 基于STM32F103RC 控制單元的設(shè)計(jì)

STM32F103RC 單片機(jī)屬于32 位ARM 微控制器，該芯片是由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，Cortex-M3 內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，集成了高速存儲(chǔ)器和通過APB 總線連接的眾多外設(shè)輸入/輸出接口，其中片上存儲(chǔ)器Flash 可達(dá)到256 kB，SRAM可達(dá)48 kB。這么強(qiáng)大的功能，STM32F103RC 處理器可以比較容易的實(shí)現(xiàn)較高的指令吞吐量和豐富的系統(tǒng)設(shè)計(jì)資源[1]。

控制單元選用STM32F103RC 單片機(jī)作為CPU，是其STM32F103RC 單片機(jī)具有資源豐富、成本低、功能性強(qiáng)，低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。針對(duì)目前科技館展品廠家眾多，展項(xiàng)眾多，控制單元種類繁多，各種各樣的設(shè)計(jì)，非標(biāo)多且，大相徑庭。把科技館展品的功能及要求進(jìn)行分析，從系統(tǒng)硬件方面大致可以分為：輸入接口采集、輸出接口驅(qū)動(dòng)、通信接口的數(shù)據(jù)傳輸和IO 口的擴(kuò)展應(yīng)用幾個(gè)方面?？刂茊卧鳛檎鬼?xiàng)控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，需具有很強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力和擴(kuò)展功能。根據(jù)展品的實(shí)際功能需要，結(jié)合設(shè)計(jì)的擴(kuò)展模塊可以靈活組裝搭配，可靠便捷的完成展品電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制作。

根據(jù)科技館目前展品的實(shí)際功能分析，該設(shè)計(jì)的控制單元需具備多串口設(shè)計(jì)、藍(lán)牙設(shè)計(jì)、無線模塊設(shè)計(jì)、LED 和LCD 顯示功能設(shè)計(jì)、I/O 接口驅(qū)動(dòng)采集單元設(shè)計(jì)等（圖1）。控制單元原理如圖2 所示。

（1）串口功能：串口1 可以和計(jì)算機(jī)投影機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)通信，串口2 可以和UPS 設(shè)備通信，串口3（RS485）可以和終端設(shè)備通信，展項(xiàng)數(shù)據(jù)可上傳到中控系統(tǒng)。

（2）藍(lán)牙功能：通過藍(lán)牙模塊CPU 可以和手機(jī)、PAD 等數(shù)據(jù)交互。

（3）無線功能：通過無線數(shù)據(jù)模塊CPU 可以和外接子設(shè)備數(shù)據(jù)交互，對(duì)有些不便于布線的設(shè)備可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。

（4）LED 顯示功能：LED 顯示模塊可以顯示CPU 的運(yùn)行情況以及設(shè)置參數(shù)。

（5）輸入功能（X0—X7；X8—X15）：控制單元的輸入接口可根據(jù)展項(xiàng)的輸入設(shè)備的數(shù)量進(jìn)行配置，選擇相應(yīng)的輸入擴(kuò)展模塊，這樣可以節(jié)約資源節(jié)省成本。

（6）輸入功能（Y0—Y7；Y8—Y15）：控制單元的輸出接口可根據(jù)展項(xiàng)的控制設(shè)備進(jìn)行配置，根據(jù)設(shè)備的電壓、電流配置，選擇相應(yīng)輸出控制模塊或相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。這樣可以節(jié)約資源節(jié)省成本，更便于維護(hù)和保養(yǎng)。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、LED 數(shù)碼串行顯示、語音控制等擴(kuò)展功能。

圖1 控制單元結(jié)構(gòu)

圖2 控制單元原理

3 輸入量采集模塊的設(shè)計(jì)

控制單元的擴(kuò)展輸入模塊分為數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊。數(shù)字量輸入模塊是經(jīng)采集電路后，信號(hào)直接送到單片機(jī)的I/O 口，單片機(jī)對(duì)開關(guān)量經(jīng)過邏輯判斷或運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)指令[2]。數(shù)字量輸入模塊適用于按鈕開關(guān)、PNP 及NPN 傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)對(duì)象。模擬量輸入模塊就是用來采集模擬量，比如說電壓電流、熱電阻熱電偶或者是溫度等數(shù)值，通過采集電路AD 通道將模擬量信號(hào)采集到控制單元中，控制單元根據(jù)模擬量數(shù)值在一定的范圍內(nèi)所連續(xù)變化的取值，表示和數(shù)字量是相對(duì)立的一個(gè)狀態(tài)，簡(jiǎn)單的說就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制單元能處理的數(shù)字信號(hào)。模擬量輸入模塊適用于溫度傳感器、濕度傳感器、角度傳感器等設(shè)備，其模擬信號(hào)值為0～5 V或4～20 mA 的范圍。

為了增加輸入模塊的可靠性和寬電壓的匹配性，數(shù)字輸入模塊采用TLP521 光電隔離，輸入信號(hào)和光電隔離的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，信號(hào)單項(xiàng)傳播，輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)無影響，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸信號(hào)效率高[3]（圖3）。

模擬量輸入模塊是將0～5 V 或者4～20 mA 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制單元能處理的數(shù)字量模塊，該模塊采用PCF8591 低功耗芯片，8－bit COMS 數(shù)據(jù)器件，PCF8591 具有4 路模擬輸入和1 個(gè)模擬輸出口。在PCF8591 器件上輸入輸出的地址，控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I2C 總線以串行的方式進(jìn)行傳輸，它轉(zhuǎn)換精度高、使用方便、可靠性好（圖4）。

圖3 數(shù)字量輸入模塊原理

4 輸出驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

本控制單元輸出擴(kuò)展模塊分為8 路繼電器輸出模塊和8 路晶體管輸出模塊。

繼電器輸出模塊：為了繼電器動(dòng)作脈沖的影響，在繼電器輸出部分使用光耦與控制單元的I/O 口進(jìn)行隔離，光耦除電氣隔離外，還起了電平轉(zhuǎn)換的作用。選用繼電器輸出功率為10 A 的功率設(shè)計(jì)，可以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、LED 燈板、電磁線圈、交流繼電器等設(shè)備，使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠（圖5）。

圖5 繼電器輸出模塊原理

晶體管輸出模塊：為了高頻輸出的設(shè)備控制，如PWM 方式控制LED 燈或者直流電機(jī)調(diào)速，模塊采用達(dá)林頓管IRF540 耐高壓，大電流驅(qū)動(dòng)芯片，輸出端最大允許通過電流500 mA，可以直接用來驅(qū)動(dòng)繼電器、LED 燈條、小型直流電機(jī)等設(shè)備（圖6）。

5 顯示模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)顯示模塊可以增加展品運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的可視化，也能增加展品游戲互動(dòng)的度量化，如規(guī)定的游戲時(shí)間、正確和錯(cuò)誤的次數(shù)、軟件互動(dòng)階段過程的記錄等。

控制單元顯示展品運(yùn)行參數(shù)和軟件設(shè)置參數(shù)，在此選用LCD—12864 液晶顯示屏，此功能可以集成到控制單元核心板上，便于操作。12864 顯示模塊可以顯示字母、數(shù)字、中文字和自定義圖形，將12864 顯示模塊接口和控制單元I/O 接口直接相連就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，通過控制單元上的按鍵就可以瀏覽和設(shè)定功能參數(shù)（圖7）。

圖6 晶體管輸出模塊原理

圖7 12864 液晶顯示模塊原理

對(duì)于展品游戲互動(dòng)的度量化顯示功能，采用串行控制方式，節(jié)省控制單元板I/O 口資源。用74HC595 作為串行數(shù)據(jù)的功能芯片，具有速度快、功耗小、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)?？梢院芊奖愕暮涂刂茊卧? 個(gè)I/O 口連接進(jìn)行操作（數(shù)據(jù)口SDA/時(shí)鐘口SCLK/鎖存口SLCK）（圖8）。

6 通信模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信是目前一個(gè)比較廣泛的通信技術(shù)，串行通信口經(jīng)過多年的應(yīng)用和發(fā)展，能夠安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，目前出現(xiàn)了幾種比較規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的接口，最為常用的有RS232、RS422 和RS485 標(biāo)準(zhǔn)接口。根據(jù)控制單元的設(shè)計(jì)，通信模塊可以分為2 個(gè)RS232 數(shù)據(jù)接口、1 個(gè)RS485 數(shù)據(jù)接口、1 個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)接口和1 個(gè)無線數(shù)據(jù)接口。

圖8 串行顯示模塊接口原理

RS232 數(shù)據(jù)接口是標(biāo)準(zhǔn)的串口接口，是單端輸入/輸出多用于計(jì)算機(jī)通信接口，采用DB-9 針的封裝型態(tài)設(shè)計(jì)，這樣就可以和市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的串口通信線進(jìn)行連接。用MAX232 作為串口電平轉(zhuǎn)換的通信芯片，此芯片是美信公司專為RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，功能穩(wěn)定可靠性強(qiáng)（圖9）。

RS485 數(shù)據(jù)接口和RS232 數(shù)據(jù)接口一樣，都是標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，只是傳輸方式不一樣，RS232 采取的是不平衡傳輸方式，即所謂單端通信，而RS485 采用的是平衡傳輸，即差分傳輸方式。兩者的傳輸距離不同，RS232 適合本地之間的通信，傳輸距離一般不超過20 m，而RS485 的傳輸距離為幾十米到上千米。RS232 是一對(duì)一數(shù)據(jù)通信，而RS485 接口總線允許連接多達(dá)128 個(gè)收發(fā)器，便于總線控制[4]。RS485 接口采用MAX485 芯片作為電平轉(zhuǎn)換橋梁，它傳輸速度快，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高（圖10）。

藍(lán)牙技術(shù)是一種替代便攜或固定電子設(shè)備使用的電纜或連線的短距離無線連接技術(shù)。通過藍(lán)牙可以形成一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，可以組成一個(gè)微網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)或語音傳輸[5]。控制單元設(shè)置藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信模塊是讓我們可用通過手機(jī)/PAD 等操作參與和展品之間的互動(dòng)（圖11）。

無線數(shù)據(jù)傳輸是指利用無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方式，安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高。此無線數(shù)據(jù)模塊采用E30-TTL-100 無線傳輸模塊作為橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，可應(yīng)用在展項(xiàng)設(shè)備功能擴(kuò)展、現(xiàn)場(chǎng)不便于鋪設(shè)線纜的情況（圖12）。

7 結(jié)語

此中控單元的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)，能基本適用于科技館自動(dòng)化展品電氣系統(tǒng)控制的應(yīng)用，根據(jù)具體展品控制功能的要求，合理的選擇搭配擴(kuò)展，一個(gè)控制單元核心板搭配相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，組成展品控制系統(tǒng)的最便捷最有效的控制方式。該控制單元的設(shè)計(jì)可以有效的節(jié)約成本，提升展品控制的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于展品控制系統(tǒng)的維護(hù)及擴(kuò)展，對(duì)以后展館實(shí)現(xiàn)智能中控系統(tǒng)墊下基礎(chǔ)。

圖9 RS232 通信模塊原理

圖10 RS485 通信模塊原理

圖11 藍(lán)牙通信模塊原理

圖12 無線數(shù)據(jù)模塊原理