电子产品世界

作者简介：王天瑞（1999—），男，2018级本科生。

王明全（1973—），通讯作者，男，博士，硕士生导师，讲师/通信与电子工程系副主任，主要研究方向：信号处理系统设计、微弱信号检测和数字医疗仪器。E-mail: wangmingquan@mail.neu.edu.cn。

王浩志，张益恒（2000—），男，2018级本科生。

*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202010145085）、中央高校基本科研业务专项资金资助项目批准号（N182410001）

摘要：自动化称重计量设备多以PLC为控制内核，但随着工业4.0的到来，智能化、集成化的需求越来越强烈，单片机越来越成为另一个选择。本设计以意法半导体公司（ST）基于ARM Cortex-M4内核的STM32单片机作为运算控制核心，设计一种面向称重包装一体化应用的定制嵌入式平台设备。该系统硬件电路包括实现称重包装功能所需的各功能模块及相应的硬件接口电路；软件部分包括硬件接口驱动函数、信号处理函数、系统控制与误差分析函数、Wi-Fi及蓝牙通信函数，利用这些函数控制系统动作执行。相较于业内普遍使用的PLC设备，该系统成本低、效益高、易于重构且功能指向性强，具有广泛应用前景。

0   引言

在工业4.0 的大背景下，在智能化、集成化的大趋势下，促成了基于单项工程设计的PLC 装置在称重包装产业近乎垄断的地位，而基于定制化的嵌入式平台设备也成为越来越多公司在大批量设备配套装置方面的又一选择，其成本低、效益高的优点也越来越被主流公司认可。在工业4.0 推动下，国际上更重视个性化的客户服务，立足这一点，本项目选择研制功能多、性能高、易于重构，可以基于原型机构建各种嵌入式应用系统这一研究课题，直接面向公司的个性化项目要求，设计开发了一个面向称重包装一体化的嵌入式控制开发平台（如图1）。

1   总体方案

本项目的硬件电路包括硬件接口驱动模块、信号处理模块、通信接口模块和电源与抗干扰模块。

硬件连接对象为开关量输入输出设备与模拟量输入设备。其中开关量输入输出设备需要采用光电耦合器进行隔离，以保证系统稳定性。模拟量输入设备包括气缸、电磁阀、光电开关、磁性开关、接近开关、步进电机、伺服电机、变频器和称重传感器等。系统整体对外通信接口适应性强，具有自主通信能力，能实现串联扩展。

图3 系统整体效果图

系统的软件部分则涉及控制系统各项动作的执行，除此之外，为挈合如今万物互联的潮流，系统增加了无线通信模块。用户可通过手机App、电脑终端、工业串口触摸屏等设备与系统交互，同时通过Web 端的数据监测和可视化显示，可直观知晓系统工作状态，指导系统更加高效地运行。

2   硬件电路设计

2.1 数字I/O接口模块

1）高速、快速反应普通I/O 接口

系统有114 个普通隔离输入输出接口，信号电平为24 V，具有强防抖功能，带LED 指示。I/O 接口电路共24 V 电源，但不共地。以上所有的I/O 接口电路采用台湾亿光公司的EL817S 低速光电耦合器隔离。

2）高速PWM 脉冲输出接口电路

2 个通道，频率范围为500 Hz~100 kHz，线性可调。用以驱动伺服电机和步进电机，在软件中实现加速曲线控制（模拟PLC 步进指令）。其中光耦选择东芝公司的TLP2345 高速光耦和台湾亿光公司的低速光耦EL817 组合使用。

2.2 高精度称重信号处理模块

采用ADI 公司的超低噪声24 位Σ -ΔADC——ADC7190 芯片，SPI 接口，信号分辨率为1/80 000。

2.3 通信接口电路模块

1）RS232 接口电路，2 个通道，一个通道用于2 个系统串联，另外一个通道作为备份。

2）RS485 接口电路，1 个通道，连接外部变频器，采用DB9 型连接器。

2.4 电机驱动模块

1）步进电机驱动模块

系统采用ULN2003 芯片用于驱动28BYJ-48 小型步进电机；采用32 细分精度的TB6600 步进电机驱动器，驱动丝杠滑台上的57 式两相四线步进电机。

2）减速电机与直流电机驱动模块

系统采用2 个L298N 高电压、大电流电机驱动芯片用于驱动90 g 减速电机、775 电机和130 电机。电机转轴处连接光电式速度传感器以实现电机速度闭环控制。模块12 V 供电取自电源模块，额定功率可达25 W。

2.5 无线通信模块

系统采用HC-05 无线蓝牙模块与NRF24L01 无线2.4 GHz 发射接收模块用于无线通信。所需引脚通过I/O 转接板从单片机核心板中引出，便于直插。

2.6 电源及抗干扰模块

本模块提供系统运行所需的电源，利用降压芯片7812、LM2596S 和LD1117 可将外部开关式稳压电源提供的24 V 直流电压转换为12 V、5 V 和3.3 V 直流电压，用于直流电机驱动器和单片机的供电，同时整体系统按照3C 认证标准设计，抗雷击浪涌、抗高压静电和抗脉冲三项指标达标。

3   软件设计

3.1 单片机程序设计

为了便于检验硬件平台的可靠性，团队设计了针对该硬件平台称重包装演示系统。单片机程序设计主要包括以下几个模块：各模块初始化及驱动函数、信号处理函数、系统控制与误差分析函数、无线通信函数和中断事件处理函数。称重包装系统软件的主要工作流程如图5 所示。

其中硬件电路接口驱动函数包括实现数字I/O 接口、定时查询、中断控制、模数转换、数模转换以及通信等底层电路接口的驱动函数。信号处理函数包括实现数字滤波、数值计算、人机接口数据驱动等函数。系统控制和误差分析函数包括实现涉及控制系统动作执行的各项函数。无线通信函数包括涉及蓝牙通信与Wi-Fi 通信执行的函数。

3.2 APP端及Windows端程序设计

本项目的安卓端APP 由App Inventor 2 开发设计，APP 端程序主要包括显示蓝牙/Wi-Fi 传输的数据和发送指令切换需要演示的功能。同时可以将数据以曲线的形式可视化地显示在坐标中，可以更直观地观察和比较数据。

图6 称重包装APP端软件系统^[3]

本项目的电脑端窗体程序上位机由Qt 5.15 开发，可实现通过蓝牙和Wi-Fi 对丝缸滑台、直流电机的控制和传输工业通信和称重重量的信号，主体界面和程序设计流程图如下：

图7 称重包装windows窗体程序

4   系统改进与展望

由于本系统中用于监测I/O 运行状态的LED 指示灯直接连接24 V 电源，没有经过专用的LED 驱动电路驱动，因而存在功耗较大和可靠性不强的问题。此外由于系统I/O 较多，板子上集成LED 指示灯和限流电阻也造成空间上的浪费。为此，我们团队决定采用TI 公司的TLC5928 芯片[4]作为系统的恒流LED 驱动芯片，这是一款具有4 路分组延时和串行控制16 路恒流LED 驱动器，该LED 驱动模块可通过SPI 接口与单片机相连，可以大大减少连线数量。除此之外，出于时间和成本考虑，本系统没有将所有电路集成到1 块PCB 中，而是通过杜邦线和排针连接各个功能模块，这造成系统美观性和稳定性的下降，为此，团队将在下一版PCB 中集成所有模块。

5   结束语

本文介绍了团队设计的面向称重包装一体化的嵌入式控制平台，并在实际样机中对相关功能进行验证。相较传统PLC 设备，本系统功能更多且更具有针对性。这也为后来针对大批量定制化嵌入式配套设备的进一步研发提供参考。

参考文献：

[1] 佘勃,宋迎法,张宁,等.组合称包装机分布式控制系统的总体设计[J].包装工程,2009,30(01):78-80.

[2] CODEALLEN.电源转换电路设计——24V转3.3V或者5V[R/OL].[2018-10-27].https://blog.csdn.net/super828/article/details/83449496.

[ 3 ] 达尔闻说. S T M 3 2 实现运动心电& 温度&步数无线传输[R/OL].[2020-12-10].https://mp.weixin.qq.com/s/QbJaCKxfqOxzC5KqSm2Gog.

[4] TI.具有LED开路检测功能的16通道恒流LED驱动器[R/OL].[2011-1-26]https://www.ti.com.cn/product/cn/TLC59281?keyMatch=&tisearch=search-everything&usecase=partmatches.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期）

关键词： PLC 嵌入式设备 STM32单片机 组合称重 202108