周澤湘，馮伯翰，歐陽(yáng)明星，徐運(yùn)武，楊 懿，李韶陽(yáng)，林 敦

（1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126；2.韶關(guān)市超力自動(dòng)化電氣設(shè)備有限公司，廣東韶關(guān) 512000）

0 引言

原專利產(chǎn)品《晶閘管功率組件》[1]，近年來(lái)雖有穩(wěn)定銷售市場(chǎng)，但因其屬早期技術(shù)開發(fā)的模擬電流控制調(diào)節(jié)器，在未來(lái)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中將會(huì)逐年失去影響力。劉寺杰等[2]基于HMI 智能串口屏顯示的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度曲線在串口屏上的動(dòng)態(tài)顯示；李梁京等[3]基于USART_HMI 的空氣質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量參數(shù)在串口屏上儀表方式顯示；王超等[4]基于單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與分析與陳恒江等[5]基于STM32F429 的AD 靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)均通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換器件編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。綜合以上研究本文運(yùn)用嵌入式單片機(jī)技術(shù)、USART_HMI智能串口屏顯示技術(shù)、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等對(duì)某企業(yè)的專利產(chǎn)品晶閘管功率組件裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與參數(shù)顯示以此提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文研究主要內(nèi)容包括：對(duì)晶閘管功率組件輸出的被測(cè)量信號(hào)調(diào)理；單片機(jī)對(duì)被測(cè)量信號(hào)運(yùn)算處理；被測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 晶閘管功率組件信號(hào)測(cè)量嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晶閘管功率組件輸出信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。晶閘管功率組件輸出的關(guān)鍵信號(hào)（如觸發(fā)脈）首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)[6]，然后順向輸入到ADC 轉(zhuǎn)換電路完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換（本文ADC 轉(zhuǎn)換使用STM32F407VET6 內(nèi)置片上外設(shè)完成[7]），然后由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理得到被測(cè)量信號(hào)頻率與幅值參數(shù)，最后將信號(hào)參數(shù)輸出到USART_HMI智能串口屏[8]實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。

圖1 晶閘管功率組件信號(hào)測(cè)量嵌入式系統(tǒng)框圖

1.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及仿真

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶閘管功率組件裝置輸出信號(hào)，經(jīng)變壓器降壓取樣得到3 V 取樣電壓。此信號(hào)為雙極性信號(hào)，需要將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極信號(hào)才能接入到嵌入式單片機(jī)片上外設(shè)通道完成A∕D 轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理仿真電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理仿真電路

U1為電壓跟隨器，使輸入、輸出信號(hào)幅值保持不變，且輸入阻抗高、輸出阻抗低，起到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與系統(tǒng)隔離、互不干擾的作用；U2 為電壓偏置電路其同向輸入端接2.5 V直流偏置，U1輸出的V01交流信號(hào)疊加在2.5 V直流電源之上抬高了U2+的輸入電壓，從而同步抬高了U2的中點(diǎn)輸出電壓達(dá)到了雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)單極性的目的。該電路可實(shí)現(xiàn)-1.25～+1.25 V到0～2.5 V的極性轉(zhuǎn)換，計(jì)算過(guò)程如下：

代入圖2中電阻參數(shù)：

整理得:

采用Multisim[9]軟件對(duì)該信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，示波器雙輸入通道的模式均為“DC 擋位”，從而示波器顯示的波形信號(hào)為“交直流量”總和，從圖3中可明確看出調(diào)理后的信號(hào)上升到“0 點(diǎn)”之上，成功轉(zhuǎn)換成了單極性信號(hào)。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路仿真結(jié)果

1.3 頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)及仿真

為了實(shí)時(shí)測(cè)量晶閘管功率組件裝置觸發(fā)脈沖的輸出頻率。采用NE555 時(shí)鐘器件設(shè)計(jì)一個(gè)施密特觸發(fā)器如圖4所示。首先將晶閘管功率組件裝置輸出的信號(hào)接入施密特觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)整形轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)同頻同相的方波，然后將該方波信號(hào)接入STM32F407VET6片上外設(shè)定時(shí)器（TIM）[10]，通過(guò)對(duì)定時(shí)器軟件編程完成對(duì)輸入信號(hào)頻率測(cè)量。施密特觸發(fā)器對(duì)輸入波形整形仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)論與理論設(shè)計(jì)相符。

圖4 施密特觸發(fā)器仿真電路

圖5 施密特觸發(fā)器波形整形仿真結(jié)果

1.4 主控單片機(jī)選型

目前ST 主流嵌入式單片機(jī)片上外設(shè)豐富，利用其TIM 外設(shè)可方便地完成對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量；利用A∕D 外設(shè)，可方便完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ST公司基于ARM 內(nèi)核在keil 軟件平臺(tái)上構(gòu)建了ST 系列單片機(jī)片上外設(shè)硬件庫(kù)函數(shù)，為C 語(yǔ)言便捷編程提供豐富函數(shù)。因此本文選用STM32F407VET6做為主控單片機(jī)。其最小系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 STM32F407VET6最小系統(tǒng)及A∕D接口電路

1.5 片上A/D轉(zhuǎn)換電路

STM32F407VET6A∕D 是12位ADC 是逐次趨近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有多達(dá)19個(gè)復(fù)用通道，可測(cè)量來(lái)自16個(gè)外部源、兩個(gè)內(nèi)部源和VBAT 通道的信號(hào)。這些通道的A∕D轉(zhuǎn)換可在單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)采樣模式下進(jìn)行。ADC 的結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)左對(duì)齊或右對(duì)齊的16位數(shù)據(jù)寄存器[11]。A∕D硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示，晶閘管功率組件裝置輸出的觸發(fā)脈沖從STM32F407VET6 PA5（ADC1）輸入。

借助keil 軟件調(diào)用ST 公司STM32F4 系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)完成A∕D片上外設(shè)軟件編程，步驟如下：（1）開啟PA口時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘，設(shè)置PA1為模擬輸入；（2）復(fù)位ADC并設(shè)置分頻因子；（3）初始化ADC，設(shè)置ADC的工作模式、規(guī)則序列等；（4）使能A∕D轉(zhuǎn)換器和校準(zhǔn)設(shè)置；（5）讀取ADC值。

1.6 片上TIM轉(zhuǎn)換電路

使用STM32F407VET6定時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入法信號(hào)的脈沖寬度測(cè)量，通過(guò)軟件得到信號(hào)的頻率與周期。調(diào)用ST公司STM32F4 系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)完成TIM 片上外設(shè)軟件編程，步驟如下：（1）時(shí)鐘使能；（2）配置預(yù)分頻、自動(dòng)重裝值和重復(fù)計(jì)數(shù)值；（3）清除中斷標(biāo)志位；（4）使能TIM 中斷，選擇中斷源；（5）設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)；（6）使能TIM外設(shè)。

1.7 串口屏硬件電路設(shè)計(jì)

USART-HMI“人機(jī)交互顯示方案”和“串口人機(jī)交互顯示模組[12]（USART-HMI Display Module）在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的使用。USART-HMI 智能串口屏采用DC5V 供電，通過(guò)串口通信與CPU 主控模塊連接。此串口屏的內(nèi)部功能強(qiáng)大，具有多種組態(tài)控件：按鈕控件、進(jìn)度條控件、文本控件、指針控件等。首先，在運(yùn)行中MCU 通過(guò)串口指令改變控件的屬性就可以改變屏幕上顯示的內(nèi)容，例如可通過(guò)串口發(fā)送或?qū)懭霐?shù)據(jù)對(duì)頁(yè)面ID、字符內(nèi)容、文本控件屬性等進(jìn)行修改；其次，此串口屏不占用太多CPU 資源，因?yàn)榇蠖鄶?shù)需要界面顯示的內(nèi)容是通過(guò)屏幕本身的處理器實(shí)現(xiàn)的，因此MCU 只用發(fā)送指令，而不需要編寫相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序；再次，屏幕廠家提供的上位機(jī)軟件簡(jiǎn)單易用，通過(guò)圖形化的方式就可以對(duì)人機(jī)界面的布局和大多數(shù)的邏輯（比如界面背景，按鈕效果，文本顯示等）進(jìn)行設(shè)置通過(guò)USART-HMI 軟件可高效便捷實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用領(lǐng)域下的人機(jī)交互顯示方案編程十分便捷和高效。HMI 智能串口屏通過(guò)串口中斷收、發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且不會(huì)因?yàn)樗⑿陆缑娑a(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包等問(wèn)題。如圖7所示該模組采用串口通信，其簡(jiǎn)潔的硬件電路設(shè)計(jì)，節(jié)約大量單片機(jī)I∕O資源。

圖7 USART-HMI接口電路

2 可編程串口屏軟件設(shè)計(jì)流程

本文采用USARTHMI 軟件，使用AT 指令，依據(jù)流程圖8設(shè)計(jì)了如圖9所示的開機(jī)啟動(dòng)動(dòng)感頁(yè)面；波形數(shù)量實(shí)時(shí)顯示頁(yè)面；電壓、電流儀顯示頁(yè)。

圖8 流程圖

圖9 串口屏顯示頁(yè)面

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)軟件編程hex 文件下載，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器為樣機(jī)輸入50 Hz、1 VPP方波（占控比可調(diào)）。圖10所示為本文研制樣品機(jī)監(jiān)測(cè)的方波顯示信號(hào)。在今后的研究過(guò)程中還需要進(jìn)一步完善信號(hào)頻率與幅度值的顯示。

圖10 樣機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于USART_HMI智能串口屏實(shí)現(xiàn)晶閘管功率組件波形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示方案。借助Multisim和proteus軟件仿真完成外圍信號(hào)調(diào)理電路硬件電路設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)STM32F407VET6單機(jī)片與USART-HM液晶編程可靠實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管功率組件原裝置進(jìn)行人機(jī)交互及波形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示功能升級(jí)。樣機(jī)試制較原產(chǎn)品功能得到極大提升，串口液晶屏實(shí)現(xiàn)了開機(jī)動(dòng)畫顯示。人機(jī)交互對(duì)話導(dǎo)航良好，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形與數(shù)據(jù)顯示清晰，樣機(jī)滿足企業(yè)功能需求。