一款基于STM32的貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2 電源電路

電源電路采用AMS1117—3.3作為電壓轉(zhuǎn)換芯片。AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，在輸出1 A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值為1.8 V，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該電路輸入端與輸出端各接1個(gè)0.1μF的非極性獨(dú)石電容和1個(gè)220μF的極性電容。這兩組電容起到了穩(wěn)壓濾波的作用。

2.3 串口電平轉(zhuǎn)換電路

串行接口是嵌入式系統(tǒng)中較為常用的一種接口。本系統(tǒng)采用RS-232總線于上位機(jī)進(jìn)行通信，采用MAX232芯片來完成RS-232串行接口的電平轉(zhuǎn)換。串口通信電路如圖8所示。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用DM442數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)置512內(nèi)的任意細(xì)分以及額定電流內(nèi)的任意電流值，能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用需要。電路連線如圖9所示。

通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的方法較為簡(jiǎn)單，僅需通過單片機(jī)IO口給出不同頻率的方波脈沖信號(hào)即可控制步進(jìn)電機(jī)的速度，通過另一個(gè)IO口給出高低電平控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。本文所采用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，因此驅(qū)動(dòng)器每接收200個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制程序由串口收發(fā)程序，限位開關(guān)檢測(cè)程序，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分組成。下面將對(duì)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和串口收發(fā)部分做詳細(xì)的介紹。

3.1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

根據(jù)1.1.2中的介紹，舵機(jī)用來控制吸筆和拖拽針的運(yùn)動(dòng)，在單片機(jī)的控制中常用PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制來驅(qū)動(dòng)它。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其優(yōu)越性在于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的簡(jiǎn)單性和計(jì)算機(jī)接口的容易性。在舵機(jī)控制系統(tǒng)中，輸出的PWM信號(hào)通過功率器件將所需的電流和能量傳送到舵機(jī)線圈繞組中，來控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7，其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。其中高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，這樣，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出。由于只控制一個(gè)舵機(jī)，這里我們僅利用TIM3的CH2產(chǎn)生一路PWM輸出。具體步驟如下：

1)開啟TIM3時(shí)鐘，配置PA7為復(fù)用輸出。

2)設(shè)置TIM3的ARR和PSC，控制輸出PWM的周期。

3)設(shè)置TIM3_CH2的PWM模式。

4)使能TIM3的CH2輸出，使能TIM3。

5)修改TIM3_CCR2來控制占空比。

由于舵機(jī)所需的控制信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)周期是20毫秒，最低不得少于15毫秒。中位脈沖寬度是1.5毫秒，脈沖寬度在加減1.5毫秒之間內(nèi)變化?？煽胤秶话愣际?.5～2.5毫秒。即控制舵機(jī)運(yùn)行至兩個(gè)機(jī)械極限位置的信號(hào)周期為0.5～2.5毫秒，對(duì)應(yīng)占空比為2.5%-12.5%。本方案中舵機(jī)需保持在3個(gè)狀態(tài)，分別是左極限，右極限和中間位置。用于控制拖拽針下移，吸筆下移和復(fù)位。

因此，要控制舵機(jī)，首現(xiàn)需要一個(gè)頻率為50赫茲的PWM波，然后調(diào)節(jié)其占空比為2.5%-12.5%。PWM輸出頻率的計(jì)算公式為：

這里系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為72000000赫茲，所需PWM頻率為50赫茲。為方便計(jì)算，同時(shí)保證自動(dòng)重裝載值和預(yù)分頻系數(shù)均為整數(shù)，這里取自動(dòng)重裝載值為1000。計(jì)算得預(yù)分頻系數(shù)為1440-1=1439。因此調(diào)用PWM初始化函數(shù)為：PWM_Init(1000，1439);

PWM輸出波形占空比計(jì)算公式為：

由此計(jì)算得到：

左極限位置時(shí)TIM3->CCR2=25，

右極限位置時(shí)TIM3->CCR2=125，

中間位置時(shí)TIM3->CCR2=75。

3.2 串口通信配置

STM32的串口資源相當(dāng)豐富的，最多可提供5路串口(STM32F103RBT6只有3個(gè)串口)，有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通訊、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作、智能卡協(xié)議和IrDA SIR ENDEC規(guī)范(僅串口3支持)、具有DMA等。

STM32的串口配置需要開啟串口時(shí)鐘，并設(shè)置相應(yīng)IO口的模式，配置波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位等信息。STM32的串口波特率計(jì)算公式如下：

上式中，fPCLKx是給串口的時(shí)鐘;USARTDIV是一個(gè)無符號(hào)定點(diǎn)數(shù)。

3.3 串口數(shù)據(jù)包格式設(shè)計(jì)

表1為串口與單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)包格式，每幀有9個(gè)字節(jié)，開始六個(gè)字節(jié)是包頭標(biāo)志、器件地址、數(shù)據(jù)類型、起始地址以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，其中數(shù)據(jù)類型有：讀數(shù)據(jù)指令r(0x72)、預(yù)設(shè)參數(shù)w(0x77)、運(yùn)動(dòng)指令m(0x6D)、請(qǐng)求重發(fā)指令c(0x63)、正常返回指令b(0x62)和放棄通信指q(0x71)。然后是10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位，通常數(shù)據(jù)位為2個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)齊問題，在后面加入兩個(gè)值為0的字節(jié)。最后是兩

個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位和結(jié)束標(biāo)志位，采用CRC16進(jìn)行校驗(yàn)。