徐鵬飛，李燁，熊勇，齊海濤

（北京航空航天大學(xué)，北京，102206）

0 引言

北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心的《綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》課程歷史悠久、內(nèi)容豐富、深受學(xué)生好評(píng)，而四層模擬電梯控制是其中一個(gè)重要的內(nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)電梯的教學(xué)活動(dòng)，工程訓(xùn)練中心設(shè)計(jì)了CTS1600-I 四層模擬電梯代替真實(shí)電梯，不僅可以直觀顯示電梯活動(dòng)過(guò)程，而且還可以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)其它內(nèi)容；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)四層模擬電梯的控制，就需要設(shè)計(jì)一款運(yùn)行速度快、成本低、體積小、功能強(qiáng)大、支持C 語(yǔ)言開發(fā)的控制電路板。STM32F103 是增強(qiáng)型產(chǎn)品系列，其處理運(yùn)算主頻可以達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能較高的產(chǎn)品[1]。STM32F103 是Cortex ?-M3 內(nèi)核的單片機(jī)，Cortex ?-M3內(nèi)核性能強(qiáng)勁、功耗低、實(shí)時(shí)性好[2]。綜合考慮了成本、性能等因素，經(jīng)過(guò)篩選，STM32F103RBT6 可以滿足要求。

圖1 電梯接口

1 CTS1600-I 四層模擬電梯工作過(guò)程

CTS1600-I 四層模擬電梯有一個(gè)可以上下運(yùn)動(dòng)的轎廂，轎廂內(nèi)有1、2、3、4 層和開關(guān)門請(qǐng)求輕觸開關(guān)。轎廂由一個(gè)12V 直流電機(jī)控制，電機(jī)輸入控制端有2 個(gè)I/O，分別為“選通”和“上行”，當(dāng)“選通”和“上行”分別為高、低電平時(shí)，轎廂下行運(yùn)動(dòng)；當(dāng)“選通”和“上行”分別為高、高電平時(shí)，轎廂上行運(yùn)動(dòng)；當(dāng)“選通”為低電平時(shí)，無(wú)論“上行”為高還是低電平，轎廂均停止運(yùn)動(dòng)；通過(guò)2 個(gè)I/O 的高低電平組合，轎廂可以實(shí)現(xiàn)停止、上行、下行三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；將“上行”I/O 直接關(guān)聯(lián)到電梯的上下行指示燈，用于指示電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和停止時(shí)的上一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在電梯的每層都內(nèi)置了轎廂到達(dá)行程開關(guān)，可以檢測(cè)轎廂的位置。電梯外面中間每層有上請(qǐng)求、下請(qǐng)求輕觸開關(guān)，頂層只有下請(qǐng)求輕觸開關(guān)，底層只有上請(qǐng)求輕觸開關(guān)，在輕觸開關(guān)內(nèi)部?jī)?nèi)置了可以被控制的發(fā)光二極管。開關(guān)門電機(jī)也是1 個(gè)12V 直流電機(jī)，與轎廂電機(jī)控制類似，可以由2 個(gè)I/O 控制，分別實(shí)現(xiàn)停止、開門、關(guān)門三個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在門的內(nèi)部?jī)?nèi)置了關(guān)門到位和開門到位行程開關(guān)。在電梯上方位置有一個(gè)顯示樓層號(hào)的8 段LED 顯示器。

CTS1600-I 四層模擬電梯有一個(gè)40 針的控制接口，此接口信號(hào)可以分為輸入、輸出、電源三部分。在電梯內(nèi)部有光耦進(jìn)行隔離，所以控制板需要對(duì)接口進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò)測(cè)試，直流5V 供電可以滿足要求，所以輸入輸出接口信號(hào)均使用5V 供電下的邏輯電平即可。由于電梯使用了光耦隔離，減小了外部噪聲的干擾，所以系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且連接接口可以選用長(zhǎng)一些的電纜線。

圖2 SWD 下載接口

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)部分和接口驅(qū)動(dòng)部分。

2.1 單片機(jī)電路

單片機(jī)電路由下載接口、晶振、電源、I/O、復(fù)位、指示燈等幾部分組成。

圖3 單片機(jī)電源電路

單片機(jī)下載接口使用的是SWD 接口，因?yàn)镾WD 接口不僅可以實(shí)現(xiàn)下載、調(diào)試等功能，而且其引腳比JTAG 接口少很多，只需要SWCLK、SWDIO、復(fù)位、地等信號(hào)即可，其占電路板面積也很少。

單片機(jī)使用的是由5V 經(jīng)過(guò)LM1117 穩(wěn)壓后形成的3.3V 電壓，為了防止靜電等原因形成的瞬時(shí)高壓燒毀電路芯片，在LM1117 的輸入和輸出端對(duì)地均連接了瞬態(tài)抑制二極管。

單片機(jī)使用的是無(wú)源8MHz晶振。

單片機(jī)復(fù)位由上電復(fù)位和輕觸開關(guān)復(fù)位兩部分組成。為了得到可靠的上電復(fù)位，單片機(jī)的復(fù)位引腳通過(guò)一個(gè)10Ω電阻連接到MAX809的輸出引腳。在上電時(shí)，MAX809輸出一個(gè)維持140ms 的低電平復(fù)位脈沖，此脈沖使單片機(jī)STM32F103RBT6 復(fù)位。輕觸開關(guān)按下時(shí)，單片機(jī)復(fù)位引腳連接到地，使單片機(jī)復(fù)位。MAX809 的輸出端和輕觸開關(guān)之間并不是直接連接，而是串接了一個(gè)10Ω 的電阻，其起到保護(hù)MAX809 芯片的作用。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了兼顧上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位，并且電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。MAX809 的上電復(fù)位的可靠性比RC 上電復(fù)位要高很多。

圖4 單片機(jī)復(fù)位電路

為了直觀查看電路情況，設(shè)計(jì)了電源指示燈和單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈。電源指示燈用于觀察電路是否供電正常。單片機(jī)PA7 引腳連接發(fā)光二極管的陰極，當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)，在主循環(huán)程序里操作PA7，使其定時(shí)輸出高低電平，從而D3 閃爍，此設(shè)計(jì)可以觀察單片機(jī)程序的工作狀態(tài)，比如其是否進(jìn)入了死循環(huán)等情況。

圖5 單片機(jī)核心電路

單片機(jī)的核心電路就是GPIO 引腳的輸入輸出連接。這些引腳如果直接連接電梯接口，那么經(jīng)過(guò)電纜線就容易引入噪聲干擾，使得單片機(jī)工作不穩(wěn)定，容易造成硬件損壞、程序停機(jī)、程序丟失等問題，并且容易出現(xiàn)在SWD 方式下進(jìn)行下載、調(diào)試時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以這些引腳都通過(guò)74HC245進(jìn)行了隔離。

圖6 指示燈電路

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

接口驅(qū)動(dòng)電路部分由74HC245 芯片構(gòu)成，其目的是為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)輸出電壓、電流能力，提高抗干擾能力。74HC245 的1 腳連接+5V，19 腳連接地，數(shù)據(jù)傳輸是從A 口進(jìn)入，B 口輸出。單片機(jī)對(duì)外輸出的GPIO 引腳連接74HC245 的輸入，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后連接到電梯接口的輸入引腳上；電梯接口的輸出引腳連接在74HC245 的輸入，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后連接到單片機(jī)GPIO 對(duì)外輸入引腳上。如果STM 單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)GPIO 引腳是浮空輸入模式，不對(duì)外輸出確定電平，此時(shí)電梯容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，所以在74245的輸入引腳連接有對(duì)地電阻，使得74245 的輸出為低電平，從而電梯接口輸入引腳收到的都是低電平信號(hào)，上下行和開關(guān)門電機(jī)都處于停止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)由于運(yùn)動(dòng)而造成事故，這是一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的設(shè)計(jì)。74HC245 的電源使用的是直流5V，這樣設(shè)計(jì)的目的不僅可以延長(zhǎng)電梯接口電纜的長(zhǎng)度，而且也考慮了STM 的GPIO 可以接受5V 電平下的邏輯信號(hào)的情況。

圖7 電梯驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，把電梯程序分為驅(qū)動(dòng)和邏輯兩層，兩層是獨(dú)立的。

指針是C 語(yǔ)言中的一個(gè)重要概念，也是C 語(yǔ)言的一個(gè)重要特色。正確而靈活地運(yùn)用它，可以使程序簡(jiǎn)潔、緊湊、高效[3]。在驅(qū)動(dòng)層，通過(guò)定義結(jié)構(gòu)體，內(nèi)置指針指向正確的寄存器，主程序操作指針即可完成對(duì)硬件的操作。GPIO外設(shè)分為輸入和輸出兩種，分別對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)體。輸出GPIO 的結(jié)構(gòu)體定義如下：

判斷轎廂是否到達(dá)1 層的代碼如下：

if( (*gs_IO_Input_LayerSensor[0].pul_IDR) & gs_IO_Input_LayerSensor[0].ulPin)

圖8 電梯程序流程圖

驅(qū)動(dòng)層用結(jié)構(gòu)體變量，而不是直接使用GPIO 寄存器來(lái)進(jìn)行讀寫有很大的優(yōu)點(diǎn)，可以很容易做到修改IO 和電梯硬件的關(guān)系，如果修改了電路板，或者更換了單片機(jī)，只需要修改定義時(shí)的初始化值即可，軟件容易修改，如果不使用結(jié)構(gòu)體變量而是在代碼里有IO操作，則軟件很不容易修改正確。

在邏輯層，把電梯抽象為停止和運(yùn)動(dòng)兩種行為，這兩種行為可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。在停止?fàn)顟B(tài)下，程序判斷是否本層內(nèi)外按鍵按下過(guò)，如果按下過(guò)則產(chǎn)生請(qǐng)求，如果請(qǐng)求存在，執(zhí)行開關(guān)門過(guò)程；如果上層請(qǐng)求存在而下層請(qǐng)求不存在或者上下請(qǐng)求均存在但是電梯上次運(yùn)行狀態(tài)是上行，則啟動(dòng)電梯向上運(yùn)行；如果下層請(qǐng)求存在而上層請(qǐng)求不存在或者上下請(qǐng)求均存在但是電梯上次運(yùn)行狀態(tài)是下行，則啟動(dòng)電梯向下運(yùn)行。在運(yùn)行狀態(tài)下，如果發(fā)現(xiàn)轎廂到達(dá)某樓層，如果此層是頂層或者底層，或者此層有請(qǐng)求，則電梯停止運(yùn)行，執(zhí)行開關(guān)門過(guò)程。在同時(shí)有上下層請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)上次電梯運(yùn)行狀態(tài)啟動(dòng)電梯運(yùn)行，這樣設(shè)計(jì)的目的是防止電梯轎廂在某些層之間出現(xiàn)反復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，而其他層的請(qǐng)求長(zhǎng)時(shí)間得不到響應(yīng)，只有盡量保持電梯運(yùn)行方向不變，才可以使每一層的請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)會(huì)均等。

如何做到驅(qū)動(dòng)層和邏輯層進(jìn)行通信呢？在main 函數(shù)初始化代碼里，啟用了SysTick 定時(shí)中斷，在此中斷里，把驅(qū)動(dòng)I/O 的值和電梯結(jié)構(gòu)體變量的各個(gè)成員變量進(jìn)行了相互交換，對(duì)邏輯層的各個(gè)行為完成了物理實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試電梯控制板時(shí)，可以直接寫一些I/O 的讀寫語(yǔ)句，然后設(shè)斷點(diǎn)或者單步運(yùn)行，觀察電梯的各個(gè)部分是否正常工作。對(duì)于電機(jī)的調(diào)試有一些復(fù)雜，需要在運(yùn)行語(yǔ)句之后寫停止語(yǔ)句，防止電梯運(yùn)行出現(xiàn)故障。

圖9 電梯控制電路板3D 顯示圖

由于驅(qū)動(dòng)層和邏輯層在定時(shí)中斷里完成數(shù)據(jù)交換，所以在操作一些I/O 時(shí)，需要添加一些延時(shí)語(yǔ)句或者是判斷語(yǔ)句，比如：?jiǎn)?dòng)了電機(jī)運(yùn)行向上之后，需要判斷本層傳感器是否輸出為0，然后延時(shí)幾百毫秒，再進(jìn)行其它的處理，這樣做的好處是確保轎廂離開了本層，程序工作起來(lái)比較可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CTS1600-I 四層模擬電梯的控制電路板的設(shè)計(jì)，有了很多收獲，并且《綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》課程也能如期正常進(jìn)行，對(duì)于學(xué)生的編程能力、機(jī)械相關(guān)能力、電路設(shè)計(jì)能力、電路焊接能力等方面有了很大的提高。