基于STM32的通用型工程机械控制器的设计.pdf

1、 精密制造与自动化 2016年第2期 22 基于 STM32 的通用型工程机械控制器的设计 孙勇威 任德均 杨洪坤 凌志祥（四川大学 制造科学与工程学院 成都 610065）摘 要 针对工程机械设备的特点，设计了一种基于 STM32，集成多路输入输出通道，具有多种数据传输方式的通用型工程机械控制器。可应用于不同类型的工程机械设备，实现对不同类型数据的采集、存储、处理，以及对外部设备的自动控制。通过多种通讯模块与上位机通信，进行实时数据传输和工作状态监控。同时基于 IAP 及 485通信技术，实现控制器在线程序更新，以及工作模式选择功能。工程机械换挡控制是工程机械设备的重要控制环节，影响整个设备

2、的性能，因此针对控制器作为工程机械换挡控制器的应用特例进行了详细介绍。关键词 STM32 数据采集 换挡控制 IAP 工程机械控制器是工程机械的核心部分，它通过采集设备的运行状态，结合操作者的指令，根据其内部设定的控制算法，实现所需的控制功能。随着工程机械设备种类的日益繁多，对控制器的智能化和通用性要求也在不断增强，设计一种智能的通用型工程机械控制器有重要意义1-3。1 1 系统总体设计系统总体设计 通用型工程机械控制器（以下简称控制器），选用64引脚的STM32F103RET7芯片4，内核为ARM公司的 Cortex-M3，功耗低。集成 20K 字节 SRAM和 512K 字节的片内 FLA

3、SH，可满足多程序存储以及数据存储的要求。此外，工业级温度范围可保证其能够在-40105的温度下正常工作。同时，工作在 72MHz，可实现高端运算，满足控制器的需求。为保证控制器的通用性，输入输出信号电压电流范围较大，可满足绝大多数工程机械设备的需求。系统的整体结构如图1所示，包括微处理器模块、电源模块、输入输出模块、通信模块、测温模块、指示模块、JTAG模块。图图 1 1 系统的整体结构框图系统的整体结构框图 控制器在线程序更新，以及工作模式选择的实现，通过 485 通信模块，采用 IAP 技术原理，将MCU内部Flash区域进行划分，存放不同功能程序，根据用户需求，将程序引导至相应位置，实

4、现程序更新及模式选择。2 2 各部分硬件设计各部分硬件设计 2.1 2.1 电源模块电源模块 控制器通过工程机械内部供电，采用电压转换芯片 LM2576HVS，具有输入电压范围广、输出误差小的特点。控制器输入电压允许范围为 2460V，宽电压范围极大的增加了控制器的通用性。分别采用 LM2576HVS-ADJ、LM2576 HVS-12V、LM2576 HVS-3.3V 芯片，分别将输入电压转为稳定的 24V、12V 和 3.3V，对各模块进行供电。同时采用电源管理芯片 BTS650P，对输出部分的电源进行管理，输入转 12V 电路如图 2 所示。图图 2 输入转输入转 12V 电路电路 孙勇

5、威 等 基于 STM32 的通用型工程机械控制器的设计 23 2.2 2.2 输入模块输入模块 具有 12 路输入，其中 8 路用于普通开关量信号输入，4 路用于 PWM 信号输入，输入信号通过两通道光耦芯片 MOCD207，将电压转换为 3.3V，为单片机供电。芯片允许输入电流为 160 mA，输入信号接 1 k 的电阻，外部信号允许电压范围是3.336V。可满足对不同电压信号的检测，输入信号电平转换电路如图 3 所示。图图 3 输入电平转换电路输入电平转换电路 2.3 2.3 输出模块输出模块 控制器具有三种输出模式，24V、12V 以及 3.3V恒压输出，24V、12V 输出最大输出电流

6、可达 3A。多种输出模式可与设备不同需求进行匹配。应用于换挡控制时，24V 输出用于控制电磁阀，12V 输出用于控制尾灯继电器，3.3V 可为手柄供电。在控制器检测到异常时，可通过控制电源管理芯片 BTS650P，关闭 24V 电压输出，等待故障排除，保证工程机械安全。2.4 2.4 通信模块通信模块 控制器集成 485 模块、CAN 总线模块以及普通IO 模块，可根据不同需求选择通信方式，实现与外设及上位机通信。控制器基于 485 模块与 IAP 技术结合，实现了程序在线更新及程序选择功能，具体设计方案在下一节具体说明。CAN5是目前公认最有前途的现场总线之一，具有性能好、可靠性高、实时性好和灵活性强的特点，非常适用于汽车产业设备通讯。CAN 总线模块硬件电路图如图 4 所示。图图 4 CAN 模块模块 2.52.5 温度检测模块温度检测模块 工程机械常在高温环境下运行，控制器集成DS18B20 单总线温度检测模块6，其外围元件少，与单片机通讯简单，并且便于扩展，检测温度最高可达 125，满足控制器内部温度监控的要求。将传感器置于设备内电源模块位置附近，当温度超过允许范围时，发出警报