摘要：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化自主作業(yè)是智能化電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的基本要求。將無(wú)線傳輸技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)以及電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)進(jìn)行結(jié)合，是目前電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要研究方向。文章使用STM32作為系統(tǒng)的主控芯片，對(duì)電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，同時(shí)挖掘機(jī)采集數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線雙向傳輸，成功實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，滿足各項(xiàng)基本要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)；STM32；無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

挖掘機(jī)在工程建設(shè)、礦區(qū)開采、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。在銷量方面，連續(xù)6年正增長(zhǎng)，僅僅是從2016年到2020年4年間挖掘機(jī)的銷量就已經(jīng)增加了十幾萬(wàn)臺(tái)^［1］。電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的智能化程度比較高，所以對(duì)于遠(yuǎn)程化控制、自主作業(yè)的操作可以輕易做到。由于其優(yōu)異的特性，目前電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)在礦山、工地、抗震救災(zāi)等十分危險(xiǎn)的工作環(huán)境作業(yè)受到了青睞。同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)完全摒棄了傳統(tǒng)的化石能源，由電力驅(qū)動(dòng)，能源利用率高，實(shí)現(xiàn)零排放，具有低噪音、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，完全符合機(jī)械智能綠色發(fā)展的要求。隨著中國(guó)制造2025年道路建設(shè)規(guī)劃的實(shí)施和“一帶一路”建設(shè)的規(guī)劃^［2］，碳中和政策的逐漸落實(shí)^［3-4］，電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)將擁有更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

挖掘作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常環(huán)境惡劣且危險(xiǎn)，操作人員作業(yè)時(shí)，常感受到強(qiáng)烈的震動(dòng)以及刺耳的噪聲，惡劣危險(xiǎn)的環(huán)境將大大提高操作人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度。將遠(yuǎn)程遙控技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)與電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)相結(jié)合，是一種行之有效的解決方案，可有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及保證其人身安全^［5］。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由作業(yè)控制系統(tǒng)和電源模塊控制系統(tǒng)兩部分組成。中央控制器都采用STM32控制芯片，通過(guò)擴(kuò)展功能電路實(shí)現(xiàn)所需的控制需求。

為了滿足電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)遠(yuǎn)控作業(yè)數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性，無(wú)線通信部分就必須支持全雙工模式，所以采用了ZigBee無(wú)線信號(hào)模塊，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)和電源控制模塊之間的工作參數(shù)和控制指令的雙向穩(wěn)定傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主控制器采用的是STM32F103ZET6單片機(jī)。

2.1 模擬量輸入電路

遠(yuǎn)程作業(yè)操作裝置使用德國(guó)S+B品牌的霍爾型主令手柄。為了實(shí)現(xiàn)主令手柄的高精度調(diào)速信號(hào)讀取，在ADS1256芯片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了24位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和穩(wěn)定電壓電路的設(shè)計(jì)如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)主令手柄信號(hào)的采集。

2.2 模擬量輸出電路

本地作業(yè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)變頻器的調(diào)速方式有兩種：多段速調(diào)速和無(wú)級(jí)調(diào)速。多段速調(diào)速方式每段速度之間有較大的差距，十分影響電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)作業(yè)的效率，所以一般情況下都是采用無(wú)級(jí)調(diào)速的方式。本地控制器接收到遠(yuǎn)程發(fā)送來(lái)的調(diào)速信號(hào)后需要將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)來(lái)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)速，所以在AD5676芯片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)AD8532放大器將輸出電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬量電壓，在電壓兩端接入電阻，從而實(shí)現(xiàn)4～20 mA電流信號(hào)的輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 RS232串口電路

視頻監(jiān)控電腦主機(jī)通信接口形式為DB-9九針形式，其通信協(xié)議為RS232協(xié)議，但是STM32主機(jī)輸出形式為小于1.2 V是低電平，大于10.8 V是高電平，而RS232接口中-3～-15 V是高電平，+3～+15 V是低電平，兩者電平判斷標(biāo)準(zhǔn)不一致，無(wú)法直接通信，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換回路。在本系統(tǒng)中選用了Prolific公司的PL2303接口轉(zhuǎn)換芯片。PL2303可以將ZigBee模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的USB接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS232通信格式再傳給監(jiān)控電腦。監(jiān)控電腦通過(guò)VGA接口在屏幕顯現(xiàn)出作業(yè)車輛前端的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

在設(shè)計(jì)上利用0.1 μF的電容對(duì)芯片3.3 V的電源進(jìn)行濾波處理，TXD和RXD分別是串行數(shù)據(jù)的輸出和輸入接口，DP和DM是USB信號(hào)的輸入和輸出。通信接口轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.4 Modbus通信電路

驅(qū)動(dòng)變頻器的電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)通過(guò)RS485接口發(fā)送給作業(yè)系統(tǒng)本地控制器上，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了Prolific公司的SP3485接口轉(zhuǎn)換芯片。DE和RE引腳是信號(hào)發(fā)送和接收的使能端口，SP3485只能實(shí)現(xiàn)半雙工模式的通信，所以需要通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)觸發(fā)使能信號(hào)以控制數(shù)據(jù)的輪流收和發(fā)。在A引腳上接一個(gè)上拉電阻，將電路電壓提高到3.3 V，同時(shí)在B引腳上也連接一個(gè)和GND相連的下拉電阻以減少干擾。在A引腳和B引腳之間設(shè)計(jì)了120 Ω的匹配電阻，可以吸收長(zhǎng)距離通信時(shí)匹配總線的特性阻抗，減少信號(hào)放射，使得正常的傳輸信號(hào)無(wú)毛刺，提高信號(hào)質(zhì)量。通信接口轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件開發(fā)采用Proteus和keil 5軟件以及C語(yǔ)言編程。采用模塊化思維，每個(gè)模塊的功能首先單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)集成功能模塊進(jìn)行集成。

在考慮了系統(tǒng)控制邏輯后，設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程電源控制模塊程序流程如圖6所示。系統(tǒng)每次上電的第一個(gè)掃描周期都需要進(jìn)行初始化，將程序中間寄存器參數(shù)清零。完成初始化后檢測(cè)ZigBee收發(fā)的握手信號(hào)是否中斷，如果發(fā)生了中斷，系統(tǒng)自動(dòng)從正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)收發(fā)程序跳轉(zhuǎn)到中斷程序。中斷類型有3種，分別是Modbus通信掉線、故障信號(hào)中斷和無(wú)線通信鏈路中斷，前兩者中斷不影響系統(tǒng)的安全性，在發(fā)生信號(hào)中斷后會(huì)以相應(yīng)的數(shù)據(jù)形式反饋給主程序，而發(fā)生無(wú)線通信鏈路中斷時(shí)，則會(huì)立即執(zhí)行啟?？刂评^電器的停機(jī)動(dòng)作，并切斷手柄的輸出信號(hào)。如果信號(hào)傳輸正常，則數(shù)據(jù)按照主程序正常的模式進(jìn)行收發(fā)，由于主令手柄控制信號(hào)需要對(duì)電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以程序的刷新周期需要設(shè)置成10 ms。

作業(yè)控制程序和遠(yuǎn)程電源控制模塊一致，都是采用主程序循環(huán)+中斷的運(yùn)行模式。主程序在運(yùn)行過(guò)程中不斷地檢測(cè)時(shí)有中斷條件發(fā)生。當(dāng)控制器接收到遠(yuǎn)程發(fā)送過(guò)來(lái)的啟停信號(hào)時(shí)，進(jìn)入中斷程序，將啟停信號(hào)分別以0x25和0x26兩種指令保存至發(fā)送數(shù)據(jù)幀中，同主程序一并發(fā)送給電源控制模塊產(chǎn)生電源控制模塊的動(dòng)作中斷。同樣，當(dāng)作業(yè)端控制器檢測(cè)到發(fā)生無(wú)線通信鏈路中斷時(shí)，則會(huì)立即執(zhí)行啟?？刂评^電器的停機(jī)動(dòng)作，并切斷變頻器的調(diào)速給定信號(hào)。作業(yè)控制程序流程如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理與無(wú)線通信設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是ZigBee聯(lián)盟基于低功耗、低成本、全雙工的目標(biāo)推出的一種通信協(xié)議，主要作為嵌入式設(shè)備的通信協(xié)議，廣泛用于電子設(shè)備、智能家居、自動(dòng)化。

在本系統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行無(wú)線傳輸需要保證每一個(gè)數(shù)據(jù)的首位和末尾都有校驗(yàn)位，當(dāng)校驗(yàn)均正確時(shí)，才開始處理數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)和機(jī)械電子等技術(shù)的相關(guān)理論知識(shí)，基于STM32這一微處理器，將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)組合應(yīng)用，這樣保證了在進(jìn)行挖掘相關(guān)作業(yè)時(shí)，挖掘機(jī)采集的相關(guān)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，同時(shí)在保證工作不間斷的情況之下，數(shù)據(jù)的丟幀率也會(huì)降低至1%的水平之下，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)未能接收到信號(hào)時(shí)，通過(guò)軟件過(guò)濾無(wú)用幀數(shù)據(jù)，平均反應(yīng)時(shí)間控制在1 ms以內(nèi)。電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合，對(duì)工業(yè)機(jī)械設(shè)備的智能化升級(jí)具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Wireless transmission control system for electric driven excavators based on STM32

Li Kaiqiang， Shi Yuyu， Yu Zhihua

（Qingdao Branch， Caterpillar Ramp;D Center （China） Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract： Realizing remote autonomous operation is the basic requirement of intelligent electric-driven excavators. The combination of wireless transmission technology， human-computer interaction technology and electric-driven excavator is one of the main research directions in the development of electric-driven excavator. STM32 is used as the main control chip of the system to acquire all the data of the electric driven excavator in real time. At the same time， the data collection and control data of the excavator can realize the wireless two-way transmission， which successfully realizes various functions and meets the basic requirements， and has a wide application prospect.

Key words： electric excavator; STM32; wireless transmission