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一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2016-09-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:以用于顯微注射的操作系統(tǒng)為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種基于的嵌入式無線手持控制器??刂破魇菍?shí)驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)接口,替代了平臺(tái)已有的有線控制器,在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加了無線通訊功能和平臺(tái)工作狀態(tài)及參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能,彌補(bǔ)了原設(shè)備連線復(fù)雜、無數(shù)據(jù)顯示功能等諸多不足。針對(duì)系統(tǒng)需求,完成了無線手持控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明:無線手持控制器具有功耗低,無線通訊可靠穩(wěn)定,用戶界面友好簡潔的特點(diǎn),提高了的效率和質(zhì)量,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/201609/304286.htm

顯微注射技術(shù)是現(xiàn)代生物工程重要的技術(shù)手段之一,廣泛應(yīng)用在轉(zhuǎn)基因、試管嬰兒和克隆等細(xì)胞工程領(lǐng)域。操作系統(tǒng)是一套完整的用于顯微注射實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化裝置,它將自動(dòng)控制、微電子、嵌入式、無線通訊等技術(shù)運(yùn)用到顯微注射實(shí)驗(yàn)中,通過手持控制器和機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顯微注射實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化和智能化,相比于傳統(tǒng)人工操作,極大的提高了科研工作者的工作效率和工作質(zhì)量。

手持控制器是顯微實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的人機(jī)接口,用戶通過手持控制器將命令發(fā)送至機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制三軸機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞探針的操作。原實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的手持控制器采用RS485與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信,使用時(shí)需要操作人員連接供電線纜及通訊線纜,過多的連線不僅使得手持控制器喪失了其使用的便攜性,并且接插件容易松脫為系統(tǒng)增加不可靠隱患。本文設(shè)計(jì)了一種采用鋰電池電池供電的無線手持控制器,彌補(bǔ)了上述不足,除此之外還增加了LCD顯示功能,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手工作參數(shù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,進(jìn)一步提高了顯微實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度。

1 無線手持控制器需求分析

采用無線手持控制器的顯微實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)框圖如圖1所示,根據(jù)系統(tǒng)框圖需求可將無線手持控制器功能分為人機(jī)接口、板間通訊、鋰電池管理3部分。

一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器設(shè)計(jì)

1.1 人機(jī)接口

原始的有線控制器不具備參數(shù)顯示功能,機(jī)械手工作參數(shù)和狀態(tài)無法獲取,特別是XYZ坐標(biāo)只能通過顯微鏡大致判斷,使用時(shí)十分不便。通過增加LCD顯示功能彌補(bǔ)了上述不

足,使得手持控制器成為功能完整的人接機(jī)口。用戶可通過按鍵(確定、取消、移動(dòng)等)實(shí)現(xiàn)參數(shù)查詢與設(shè)置、界面切換等操作。

控制器通過三路光電編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手XYZ三軸運(yùn)動(dòng)的控制,用戶轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器的方向和速度決定了機(jī)械手在相應(yīng)坐標(biāo)軸上運(yùn)動(dòng)的速度和方向。

1.2 板間通訊

控制器通過無線方式和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊。通訊應(yīng)當(dāng)可靠,丟包、誤碼、重傳都會(huì)導(dǎo)致用戶命令不能及時(shí)傳送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),機(jī)械手因此無法及時(shí)響應(yīng),從而顯微實(shí)驗(yàn)所需的高分辨率就難以保證,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)破壞細(xì)胞甚至損壞機(jī)械手。另外控制器還保留了RS485有線通訊接口備用。正常使用時(shí),有線和無線通訊距離均不超過2 m,使用環(huán)境無強(qiáng)電磁干擾。

1.3 鋰電池管理

無線手持控制器采用3.7 V/2200 mAh鋰電池供電,相比于傳統(tǒng)的鎳鎘電池、鎳氨電池、鉛酸電池,鋰電池具有相同容量下體積小、質(zhì)量輕;無重金屬元素,對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)勢,但是鋰電池對(duì)過充電和過放電十分敏感,過充和過放都會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損壞,降低電池壽命,因此需要對(duì)鋰電池進(jìn)行合理的管理和保護(hù)。

2 無線手持控制器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)無線手持控制器的功能需求,設(shè)計(jì)出手持控制器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。下面對(duì)系統(tǒng)中各重要模塊進(jìn)行說明。

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2.1 MCU模塊

MCU選用F103RCT6,該芯片是專為高性能、低成本、的嵌入式應(yīng)用所設(shè)計(jì)的,其主要參數(shù)如表1所示。該芯片處理速度快,并集成了多種功能豐富的外設(shè)資源,極大的簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),如系統(tǒng)中使用到的通訊接口如:IIC、SPI、USART以及用于電池電壓檢測的ADC都集成在MCU中,省去了外接相應(yīng)功能的芯片。另外光電編碼器輸出的AB正交脈沖可直接接入MCU,內(nèi)部的定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)判向、可逆計(jì)數(shù)、抖動(dòng)濾波等功能,避免了較為復(fù)雜的正交編碼器的接口電路。簡潔的硬件設(shè)計(jì),降低了成本,提高了可靠性。

2.2 模塊

無線收發(fā)芯片選擇瑞典NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24L01。該芯片工作于2.4~2.5 GHz頻段,該頻段是全球開放的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段,使用者無需申請?jiān)S可證,給開發(fā)者帶來了很大方便。該芯片內(nèi)集成了增強(qiáng)型“ShockBurst”模式控制器、頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器,MCU通過SPI接口可以對(duì)芯片進(jìn)行靈活的配置。

一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器設(shè)計(jì)

相比于藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等其他短距離方式,nRF24L01具有功耗低、開發(fā)簡單、成本低等優(yōu)勢,特別是在方面十分適合本控制器的需求,發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3 mA,接收模式下電流消耗為12.3 mA,待機(jī)模式下電流消耗為22μA,無論是收發(fā)模式還是待機(jī)模式,電流消耗都遠(yuǎn)低于上述其余方式。無線通信模塊電路原理圖如圖3所示。

一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器設(shè)計(jì)

2.3 鋰電池管理

BQ2057C是美國TI公司生產(chǎn)的先進(jìn)鋰電池充電管理芯片,該芯片集成了電壓電流調(diào)節(jié)器、電池溫度監(jiān)測、充電狀態(tài)指示等多種功能,外圍電路簡潔,十分適合本系統(tǒng)的應(yīng)用需求,電路如圖4所示。

3 無線手持控制器軟件設(shè)計(jì)

手持控制器的軟件開發(fā)采用C語言Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境,它集編碼、編譯、仿真、下載、調(diào)試功能于一體,極大提高了軟件開發(fā)效率。

根據(jù)控制器的功能將軟件劃分為如下六任務(wù):系統(tǒng)初始化、電源管理、指令處理、nRF24L01收發(fā)、LCD顯示、鍵盤掃描,如圖5所示。


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