練錦清 李威龍 李明楓 黃京榮 吳俊東

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著中國(guó)制造2025 的提出，智能制造在中國(guó)得到了大力的發(fā)展[1][2]，機(jī)器視覺檢測(cè)是智能制造系統(tǒng)中的重要一個(gè)環(huán)節(jié)，具有檢測(cè)快、檢測(cè)精度高、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了相當(dāng)一部分的人工檢測(cè)工序，得到了廣泛的應(yīng)用[3][4]。在智能制造領(lǐng)域中，機(jī)器視覺經(jīng)常作為缺陷檢測(cè)的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的工作，是智能制造檢測(cè)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)主要是利用脈沖進(jìn)行控制，脈沖的頻率大小和步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度成正比，脈沖的個(gè)數(shù)也和步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度成正比，控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)精度高、成本低廉是步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)在制造業(yè)也中得到了十分廣泛使用。本文根據(jù)機(jī)器視覺檢測(cè)設(shè)備的實(shí)際需求，針對(duì)機(jī)器視覺質(zhì)量檢測(cè)的設(shè)備，如缺陷檢測(cè)、外觀檢測(cè)、尺寸測(cè)量方面的設(shè)備，文中主要利用單片機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制，可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，連續(xù)運(yùn)動(dòng)、增量式運(yùn)動(dòng)，以及回到原點(diǎn)的功能，同時(shí)具備按鍵和OLED 屏幕人機(jī)交互以及和電腦端的上位機(jī)串口通信的功能。在本實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的圖像采集、圖像處理以及控制一體化的軟件編程，擴(kuò)展性高。

1 控制系統(tǒng)組成

Stm32F407 具備多個(gè)定時(shí)器，比如高級(jí)定時(shí)器1 和高級(jí)定時(shí)器8、內(nèi)部具有I2C，SPI、具備多個(gè)串口等功能，性能穩(wěn)定，內(nèi)部有浮點(diǎn)運(yùn)算功能，運(yùn)算速度快[5]，所以文中的控制系統(tǒng)的主要芯片是stm32F407 芯片，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)軸的控制的功能，控制系統(tǒng)組成部分，包括降壓穩(wěn)壓的模塊、主控模塊、獨(dú)立式的按鍵模塊和0.96''的OLED 顯示屏的人機(jī)交互模塊。同時(shí)，還包括了串口通信模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)限位開關(guān)，如圖1 所示是本系統(tǒng)的控制框圖。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)和主要模塊介紹

2.1 主控STM32F4 核心板模塊

主控STM32F4 核心板模塊，由復(fù)位電路、晶振電路、電容濾波電路構(gòu)成，電路板上包括了一個(gè)測(cè)試用的貼片的LED 燈、一個(gè)測(cè)試用的按鍵等。晶振采用的是8M 外部晶振，采用多個(gè)電容對(duì)輸入的電源進(jìn)行濾波穩(wěn)定，讓控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定工作。

2.2 獨(dú)立按鍵電路、有源蜂鳴器電路、OLED 電路

獨(dú)立按鍵電路主要包括5 個(gè)按鍵，為了節(jié)約成本，沒使用硬件去抖動(dòng)功能，而在軟件中利用延時(shí)實(shí)現(xiàn)去按鍵的抖動(dòng)，提高按鍵的操作穩(wěn)定性，如圖2 所示；蜂鳴器電路，主要是利用NPN 型的三極管實(shí)現(xiàn)蜂鳴器開關(guān)功能，圖3 利用NPN 型的S9013 三極管實(shí)現(xiàn)電路的電流放大和開關(guān)作用；OLED 電路，主要是實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示功能，和stm32F407 芯片通過軟件SPI 通信，如圖4 所示。OLED采用的是7 個(gè)引腳的SPI 接口的OLED，傳輸刷新數(shù)據(jù)更快，更加穩(wěn)定。

圖2 獨(dú)立按鍵電路

圖3 有源蜂鳴器電路

圖4 OLED 接口電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口和限位開關(guān)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口，主要是分配stm32F407 芯片的IO 口，將其和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制功能，本控制系統(tǒng)主要是利用定時(shí)器產(chǎn)生脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)，因此對(duì)IO 口分配沒有特殊的要求，x 軸接口如圖5 所示。限位開關(guān)模塊，主要是利用光電傳感器的通斷功能，當(dāng)工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)上方，和工作平臺(tái)連接的遮擋塊準(zhǔn)確的進(jìn)入到紅外光電傳感器模塊的凹槽中，就會(huì)遮擋光線，從而電平從高電平變?yōu)榈碗娖?，stm32 芯片接收到跳變信號(hào)，進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)中，執(zhí)行相關(guān)的程序，限位開關(guān)模塊共有5 個(gè)，X 軸2 個(gè)，Y 軸2 個(gè)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1 個(gè)，X 軸靠近電機(jī)側(cè)限位開關(guān)接口如圖6 所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)接口

圖6 限位開關(guān)接口

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分，主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)了三個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)、串口通信、OLED 屏幕顯示、按鍵輸入控制功能。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，主要是利用stm32F407 的普通定時(shí)器產(chǎn)生脈沖，實(shí)現(xiàn)控制。定時(shí)器2、定時(shí)器3、定時(shí)器6 分別負(fù)責(zé)X、Y、Z 軸脈沖產(chǎn)生，以X 軸的控制為例，進(jìn)行說明，Y 和Z 軸編程原理相同。首先利用庫函數(shù)，初始化stm32F4 的定時(shí)器2，設(shè)定定時(shí)時(shí)間是10us，觸一次中斷，然后在定時(shí)器6 中斷服務(wù)函數(shù)中，設(shè)定一個(gè)靜態(tài)變量timer6cnt，每進(jìn)入一次中斷，timer6cnt 加一，當(dāng)timer6cnt小于設(shè)定的速度數(shù)據(jù)脈沖Ns 的一半時(shí)，讓stm32 的脈沖產(chǎn)生IO 口輸出高電平，當(dāng)timer6cnt 大于設(shè)定的速度數(shù)據(jù)脈沖Ns 一半并且小于速度數(shù)據(jù)脈沖Ns 時(shí)，timer6cnt歸0 并且IO 口輸出低電平。當(dāng)改變Ns 大小，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的目的。

串口通信功能，主要是將stm32F407 和電腦通過串口進(jìn)行通信，stm32F407 的串口1（PA9 和PA10）負(fù)責(zé)該功能，當(dāng)stm32F407 接收到電腦上位機(jī)軟件的串口發(fā)過來的信息，就會(huì)進(jìn)入串口1 中斷函數(shù)，在串口中斷函數(shù)中，對(duì)信息進(jìn)行判斷，檢查是否和約定的串口命令幀頭相等，如果相等，運(yùn)行后續(xù)數(shù)據(jù)傳入數(shù)組中，如果不相等，丟棄。再檢查是否和約定的幀尾相等，如果相等，結(jié)束數(shù)據(jù)接收，如果不相等或超過約定的接收時(shí)間，也結(jié)束數(shù)據(jù)接收。當(dāng)接收到完整一幀命令，檢查命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。比如電腦端發(fā)送字符串“SM0#”，單片機(jī)端接收到之后，判斷有沒有#字符，如果存在#字符，那么認(rèn)為一幀數(shù)據(jù)完整結(jié)束，再判斷SM0 和約定的指令是否存在，如果存在相等，那么執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，如果不存在，那么繼續(xù)等待新的串口數(shù)據(jù)。

OLED 屏幕顯示，主要是將stm32F407 的對(duì)應(yīng)控制IO 口編程實(shí)現(xiàn)軟件SPI 功能，屏幕顯示主要是顯示方向信息、軸的信息、速度信息等。需要規(guī)劃好頁面顯示的位置，在對(duì)應(yīng)的位置顯示對(duì)應(yīng)的信息，當(dāng)控制電機(jī)或者調(diào)解控制軸等，在對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行信息刷新。為了刷新穩(wěn)定，在定時(shí)器15ms 時(shí)間，進(jìn)行一次刷新，而避免了頻繁刷新的情況，讓參數(shù)更加顯示穩(wěn)定，提高人機(jī)操作的舒適程度。

按鍵輸入功能，主要包括了按鍵的短按長(zhǎng)按和短按連續(xù)按兩種模式。如果想實(shí)現(xiàn)短按和長(zhǎng)按的功能，設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)次數(shù)變量timx5mscnt，當(dāng)按下按鍵，單片機(jī)檢測(cè)到下降沿，進(jìn)入對(duì)應(yīng)程序，在里面設(shè)置一個(gè)循環(huán)，每5ms，timx5mscnt 加1，并且檢測(cè)一次是否松開，當(dāng)松開按鍵之后，判斷timx5mscnt 是否大于約定的長(zhǎng)按次數(shù)，當(dāng)timx5mscnt 大于超時(shí)次數(shù)，認(rèn)為是長(zhǎng)按，返回長(zhǎng)按鍵碼，當(dāng)timx5mscnt 小于超時(shí)次數(shù)，認(rèn)為是短按，返回短按鍵碼。在主函數(shù)中，不斷檢測(cè)掃描按鍵，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)鍵碼，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)，比如歸零、速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)軸選擇、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 是設(shè)計(jì)并完成的控制系統(tǒng)實(shí)物圖，圖8 是操作面板圖，以及圖9 控制箱體內(nèi)部實(shí)物圖，包括了上述的核心板模塊、接口模塊、按鍵和OLED 模塊等。在完成上述編程之后，接入三軸步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)，其中X 軸和Y軸構(gòu)成一個(gè)二維機(jī)構(gòu)，Z 軸是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采取共陽接法，并通過撥碼開關(guān)選擇為4 細(xì)分模式。實(shí)驗(yàn)過程中，可以選擇短按按鍵1，選擇需要控制的軸，長(zhǎng)按按鍵1，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前選擇軸位置信息清零，短按或者連續(xù)按按鍵2，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，按鍵3 實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，按鍵4 實(shí)現(xiàn)回零，短按按鍵5，電機(jī)停止，長(zhǎng)按按鍵5，選擇電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。在電機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)電機(jī)觸發(fā)限位開關(guān)的時(shí)候，電機(jī)會(huì)停止，并且蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)利用USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊將電腦和控制系統(tǒng)連接的時(shí)候，電腦端利用串口助手，發(fā)送對(duì)應(yīng)字符串，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的類似按鍵的控制功能，后續(xù)方便可以利用QT 軟件或者其他軟件，結(jié)合相機(jī)的SDK 庫，以及OPENCV 等圖像處理軟件，編寫一體化的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的拍攝圖像的檢測(cè)，如尺寸檢測(cè)、圖像缺陷檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)更加智能的控制。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

圖8 操作面板

圖9 控制箱體內(nèi)部實(shí)物

結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能滿足機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)的控制要求，能通過下位機(jī)硬件系統(tǒng)的獨(dú)立按鍵，實(shí)現(xiàn)控制，也能通過電腦的串口，發(fā)送串口命令，控制三軸步進(jìn)電機(jī)，性能穩(wěn)定，對(duì)于后續(xù)機(jī)器視覺的軟件開發(fā)提供基礎(chǔ)，具備一定的市場(chǎng)發(fā)展前景。