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摘要：
介绍了基于微控制器的激光防撞装置的设计方案，该设计以嵌入式混合信号微处理器STM32F103RBT6作为核心，采用PWM控制输出、CAN总线输出和继电器控制输出来实现天车与天车间的防撞。硬件电路设计简单，软件设计模块化，降低成本，减小体积，目前该防撞装置在调试阶段运行比较稳定。
关键字：激光防撞；STM32F103RBT6；CAN总线
Abstract: Introduced based on the micro controller for laser anti-collision device design, the design based on embedded microprocessor STM32F103RBT6 as the core of the mixed signal, using PWM control output, CAN bus output and the relay control output suitable for overhead crane and crane of collision avoidance. Hardware circuit design simple, modular software design, reduce cost, reduce the volume, the anti-collision device in the debugging phase more stable operation.
Key words: laser welding; STM32F103RBT6; CAN bus
中图分类号：TP212文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
0引言
天车又称起重机，是现代工业生产中的一种重要设备，种类繁多，使用量大[1]。随着天车在经济建设中的地位越来越重要，天车的使用越来越广泛，对于天车的使用、管理与安全检验等方面的要求也越来越严格，尤其是安全检验方面[2]。很多重工业企业车间的天车往往是多台配合工作，以起吊大型超重的设备。由于作业频繁，多台天车需要同时作业，可能发生相撞事故，这对天车本身、检测元件和控制器会产生损坏，对生产造成影响，同时也对操作人员的人身安全造成威胁[3]。采用激光防撞装置，可接受来自两个不同方向激光传感器发出的信号，即测得的天车间的距离，通过串口将数据传送到微控制器，在微控制器中进行计算和分析，最后输出控制外围电机的急停、加速减速行驶或使电机正转反转，从而避免天车间的相撞，通过调试已经基本满足设计要求。
1硬件电路设计
以嵌入式混合信号微控制器STM32F103RBT6为核心，由外部电源提供稳定的直流24V电压，通过B2405将电压经隔离后转换为稳定的5V电压，进一步通过AS1117集成电路的转换为CPU提供稳定的3.3V工作电压。采用两个不同方向的激光传感器进行测距，将数据通过MAX232的电平转换，传输给微控制器，再经过光电耦合器以电流信号的形式输出控制变频器，使得电机达到加速和减速的效果；以CAN总线的形式输出控制电机驱动器从而控制电机的正转或反转；通过继电器以电压输出控制形式使电机达到急停的效果。为了方面本设计还设计5位按键电路，功能分别是电源指示、显示状态、调节大小、模式设定。为显示直观，本系统采用迪文液晶显示，显示接口电路设计简单，采用MAX232串口电平转换进行数据传输，其整体电路框图如图1所示。
图1.系统整体框图
1.1 PWM控制输出电路V/I转换电路
将激光传感器测得的数据送往微控制器，进行分析运算，然后对电流信号进行处理，发出连续高频脉冲[4]，如图2所示。从微控制器的GPIO口输出PWMC经高速光耦合器6N137进行隔离，这样可以提高抗干扰能力。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有1个850nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成。其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，5mA的極小输入电流。脉冲信号经过光电隔离后，多通道模拟开关CD4011进行传送并整形。CD4011由电平转换电路、译码电路和开关电路三部分组成，其供电电压为5V，通过TL431为其供电。TL431是一个良好的热稳定性能的三段可调分流基准源，它的输出电压可以设置2.5~36V的任何值。进入由LM358连接成的射随电路，这种放大器的放大倍数接近于1，也就是说该放大器的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，可以保证输出端的电压和输入端相同，也可以更好地带动后面电路的负载运行。经V/I转换电路（运放LM358B、PQ1）变换为4-20mA电流信号输出。通过实际的运算与调试，确定电路中各个元器件的参数。
图2. PWM控制输出电路V/I转换电路
1.2 CAN总线接口电路
由于STM32F103RBT6内部集成了CAN总线控制器，且CAN接口兼容规范2.0A和2.0B（主动）。位速率高达1兆位/秒，它可以接受和发送11位标示符的标准帧，也可以接受和发送29位标示符的扩展帧。具有3个发送邮箱和2个接受FIFO，3级14个可调节的滤波器[5]。所以只需外加总线驱动器并加上适当的隔离就可以了，电路上显得非常简洁。CAN总线信号CANTX和CANRX从STM32F103RBT6出来之后，直接经过通用型数字隔离器AduM1201进行隔离，再经过CAN总线驱动器接口芯片PCA82C250，然后接到CAN的数据线上，如图3所示。由于工业现场环境恶劣，电磁干扰与瞬时干扰比较严重，为了保证系统的可靠性，微控制器与接受驱动器之间用PCA82C250进行隔离，避免总线上的瞬时干扰。AduM1201隔离器在一个器件中提供两个独立的隔离通道，两段工作电压为2.7V~5.5V，支持低电压工作并能实现电平转换。具有很低的脉宽失真，还有直流校正功能。自带刷新电路保证了即时不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配，这对上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。同时，由于磁隔离在设计上去掉了光电转换环节，因此它的功耗仅为光耦的六分之一到十分之一，具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力，但是需要注意的是两边的电源一定要隔离处理，否则无效。
图3. CAN总线接口电路
CAN总线终端匹配电阻是必须使用的，总线两端的120欧姆电阻对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用。
1.3 继电器控制输出模块
继电器驱动电路的设计主要是根据所用的继电器线圈的吸合电压而定，STM32F103RBT6不能直接控制继电器工作，需要24V电压控制。在继电器控制模块中通过使用一个三极管放大电路把电压提高到24V，如图4所示。其中为了防止继电器掉电时放电烧损三极管，需要在继电器的控制端两个端口处连接一个二极管起到稳压保护所用。
图4.继电器电路
2 软件设计
本系统软件部分采用C语言编程，模块化程序设计方法。
2.1 PWM控制输出模块
4-20mA利用PWM脉冲宽度调制方式产生，用来控制天车速度，即用电流控制变频器运行频率，继而控制电机的转速。其程序流程图如图5所示。
图5.程序流程图
2.2 CAN总线程序设计模块
通过减速和急停使得天车之间没有发生相撞，该程序模块的设计主要任务是通过激光传感器发送到CPU的信号，经CPU内部的分析和运算，转发给CAN节点来控制电机的正反转，使得报警解除，同时使天车之间达到设定的安全距离。其中主要包括CAN的通信部分和数据发送和接收部分。其程序流程图如图6所示。
图6.主程序流程图
3 结论
本设计采用了嵌入式混合信号微处理器STM32F103RBT6，使设计电路大大简化，从而减低了成本，减小了体积，提高了运行的稳定性和可靠性。在试用中有效的起到了防撞的作用。
参考文献：
[1] 唐睿。基于视频的桥式起重机远程控制系统研究.[硕士学位论文].昆明：昆明理工大学.2007-04.
[2] 付海波.基于RFID的天车防撞系统的研究与设计.[硕士学位论文].武汉理工大学：2009-06.
[3] 毛亚红，王国坤.TQJG-2000型激光防撞装置在铝电解多功能天车中的应用.有色设备，2006(2).
[4] 张明峰.PIC单片机入门与实践[M].北京:北京航空航天出版社，2004.
[5] 喻金钱，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用.清华大学出版社，2011.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
介绍了基于微控制器的激光防撞装置的设计方案，该设计以嵌入式混合信号微处理器STM32F103RBT6作为核心，采用PWM控制输出、CAN总线输出和继电器控制输出来实现天车与天车间的防撞。硬件电路设计简单，软件设计模块化，降低成本，减小体积，目前该防撞装置在调试阶段运行比较稳定。
关键字：激光防撞；STM32F103RBT6；CAN总线
Abstract: Introduced based on the micro controller for laser anti-collision device design, the design based on embedded microprocessor STM32F103RBT6 as the core of the mixed signal, using PWM control output, CAN bus output and the relay control output suitable for overhead crane and crane of collision avoidance. Hardware circuit design simple, modular software design, reduce cost, reduce the volume, the anti-collision device in the debugging phase more stable operation.
Key words: laser welding; STM32F103RBT6; CAN bus
中图分类号：TP212文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
0引言
天车又称起重机，是现代工业生产中的一种重要设备，种类繁多，使用量大[1]。随着天车在经济建设中的地位越来越重要，天车的使用越来越广泛，对于天车的使用、管理与安全检验等方面的要求也越来越严格，尤其是安全检验方面[2]。很多重工业企业车间的天车往往是多台配合工作，以起吊大型超重的设备。由于作业频繁，多台天车需要同时作业，可能发生相撞事故，这对天车本身、检测元件和控制器会产生损坏，对生产造成影响，同时也对操作人员的人身安全造成威胁[3]。采用激光防撞装置，可接受来自两个不同方向激光传感器发出的信号，即测得的天车间的距离，通过串口将数据传送到微控制器，在微控制器中进行计算和分析，最后输出控制外围电机的急停、加速减速行驶或使电机正转反转，从而避免天车间的相撞，通过调试已经基本满足设计要求。
1硬件电路设计
以嵌入式混合信号微控制器STM32F103RBT6为核心，由外部电源提供稳定的直流24V电压，通过B2405将电压经隔离后转换为稳定的5V电压，进一步通过AS1117集成电路的转换为CPU提供稳定的3.3V工作电压。采用两个不同方向的激光传感器进行测距，将数据通过MAX232的电平转换，传输给微控制器，再经过光电耦合器以电流信号的形式输出控制变频器，使得电机达到加速和减速的效果；以CAN总线的形式输出控制电机驱动器从而控制电机的正转或反转；通过继电器以电压输出控制形式使电机达到急停的效果。为了方面本设计还设计5位按键电路，功能分别是电源指示、显示状态、调节大小、模式设定。为显示直观，本系统采用迪文液晶显示，显示接口电路设计简单，采用MAX232串口电平转换进行数据传输，其整体电路框图如图1所示。
图1.系统整体框图
1.1 PWM控制输出电路V/I转换电路
将激光传感器测得的数据送往微控制器，进行分析运算，然后对电流信号进行处理，发出连续高频脉冲[4]，如图2所示。从微控制器的GPIO口输出PWMC经高速光耦合器6N137进行隔离，这样可以提高抗干扰能力。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有1个850nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成。其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，5mA的極小输入电流。脉冲信号经过光电隔离后，多通道模拟开关CD4011进行传送并整形。CD4011由电平转换电路、译码电路和开关电路三部分组成，其供电电压为5V，通过TL431为其供电。TL431是一个良好的热稳定性能的三段可调分流基准源，它的输出电压可以设置2.5~36V的任何值。进入由LM358连接成的射随电路，这种放大器的放大倍数接近于1，也就是说该放大器的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，可以保证输出端的电压和输入端相同，也可以更好地带动后面电路的负载运行。经V/I转换电路（运放LM358B、PQ1）变换为4-20mA电流信号输出。通过实际的运算与调试，确定电路中各个元器件的参数。
图2. PWM控制输出电路V/I转换电路
1.2 CAN总线接口电路
由于STM32F103RBT6内部集成了CAN总线控制器，且CAN接口兼容规范2.0A和2.0B（主动）。位速率高达1兆位/秒，它可以接受和发送11位标示符的标准帧，也可以接受和发送29位标示符的扩展帧。具有3个发送邮箱和2个接受FIFO，3级14个可调节的滤波器[5]。所以只需外加总线驱动器并加上适当的隔离就可以了，电路上显得非常简洁。CAN总线信号CANTX和CANRX从STM32F103RBT6出来之后，直接经过通用型数字隔离器AduM1201进行隔离，再经过CAN总线驱动器接口芯片PCA82C250，然后接到CAN的数据线上，如图3所示。由于工业现场环境恶劣，电磁干扰与瞬时干扰比较严重，为了保证系统的可靠性，微控制器与接受驱动器之间用PCA82C250进行隔离，避免总线上的瞬时干扰。AduM1201隔离器在一个器件中提供两个独立的隔离通道，两段工作电压为2.7V~5.5V，支持低电压工作并能实现电平转换。具有很低的脉宽失真，还有直流校正功能。自带刷新电路保证了即时不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配，这对上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。同时，由于磁隔离在设计上去掉了光电转换环节，因此它的功耗仅为光耦的六分之一到十分之一，具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力，但是需要注意的是两边的电源一定要隔离处理，否则无效。
图3. CAN总线接口电路
CAN总线终端匹配电阻是必须使用的，总线两端的120欧姆电阻对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用。
1.3 继电器控制输出模块
继电器驱动电路的设计主要是根据所用的继电器线圈的吸合电压而定，STM32F103RBT6不能直接控制继电器工作，需要24V电压控制。在继电器控制模块中通过使用一个三极管放大电路把电压提高到24V，如图4所示。其中为了防止继电器掉电时放电烧损三极管，需要在继电器的控制端两个端口处连接一个二极管起到稳压保护所用。
图4.继电器电路
2 软件设计
本系统软件部分采用C语言编程，模块化程序设计方法。
2.1 PWM控制输出模块
4-20mA利用PWM脉冲宽度调制方式产生，用来控制天车速度，即用电流控制变频器运行频率，继而控制电机的转速。其程序流程图如图5所示。
图5.程序流程图
2.2 CAN总线程序设计模块
通过减速和急停使得天车之间没有发生相撞，该程序模块的设计主要任务是通过激光传感器发送到CPU的信号，经CPU内部的分析和运算，转发给CAN节点来控制电机的正反转，使得报警解除，同时使天车之间达到设定的安全距离。其中主要包括CAN的通信部分和数据发送和接收部分。其程序流程图如图6所示。
图6.主程序流程图
3 结论
本设计采用了嵌入式混合信号微处理器STM32F103RBT6，使设计电路大大简化，从而减低了成本，减小了体积，提高了运行的稳定性和可靠性。在试用中有效的起到了防撞的作用。
参考文献：
[1] 唐睿。基于视频的桥式起重机远程控制系统研究.[硕士学位论文].昆明：昆明理工大学.2007-04.
[2] 付海波.基于RFID的天车防撞系统的研究与设计.[硕士学位论文].武汉理工大学：2009-06.
[3] 毛亚红，王国坤.TQJG-2000型激光防撞装置在铝电解多功能天车中的应用.有色设备，2006(2).
[4] 张明峰.PIC单片机入门与实践[M].北京:北京航空航天出版社，2004.
[5] 喻金钱，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用.清华大学出版社，2011.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。