基于STM32的Rockwell-HOTS实验室监控器设计

陶 沙杨 路向 前

（1.铜陵学院，安徽 铜陵 244000；2.安徽公安职业学院，安徽 合肥 230031）

一、引言

实验是高等教育的必要环节，是提升学生实践能力、创新能力和综合素质的有效手段之一[1]。Rockwell-HOTS实验室是铜陵学院与罗克韦尔公司共建，该实验室投资巨大，但却没有配套相应的监控设备监控实验室的实时情况，本文基于嵌入式技术[2-5]，以STM32F103VET6为核心，引入模拟隔离和无线网络[6-8]等设计Rockwell-HOTS实验室监控器。监控器方便管理人员随时了解实验室的环境情况，为后续多终端实验室监控系统设计提供了基础，降低了维护成本，在实验室管理和经济等方面都具有重要意义。

二、系统结构

Rockwell-HOTS实验室系统包括20套HOTS设备，每套设备包括：工控机、PLC、变频器等。基于工业4.0理念，整合了工业自动化中的顺序控制、过程控制、传动控制等控制需求。针对系统监控的需求，融合嵌入式技术、无线网络技术等设计Rockwell-HOTS监控器。主要硬件资源包括：(1)环境信息采样电路；（2）模拟量隔离电路；（3）供电电路；（4）无线网络电路；（5）摄像头电路；（6）液晶显示电路等。监控器由信息处理模块和供电模块组成：信息处理模块是硬件的核心单元，包括传感器电路、信号调理电路、模拟隔离电路、微处理器及周边电路、液晶显示电路和无线网卡电路等。考虑到可能存在的各种干扰的影响，传感器电路将温湿度等非电信号转换成电信号后，经过信号调理与模拟隔离，提高了信号的精度与可靠性，再传输给AD进行采样。无线网卡电路在核心处理器STM32F103VET6的控制下进行数据的传输的工作，液晶显示面板可以就地显示实验系统的环境信息。

三、硬件设计

（一）供电电路

供电电路的设计综合了如下因素：（1）实验室提供了220V交流输入，可以采用降压、整流、滤波和稳压的基本原理实现；（2）硬件电路引入了模拟隔离，需要提供两路隔离的供电；（3）78系列稳压器发热量巨大。综合上述条件，引入DC/DC模块实现供电功能，提供两路电源输出，电路图如图1所示。采用LTC3111输出15V电压，COMP引脚与FB引脚之间连接的RC网络用于设置电压转换器的补偿回路。输出电压根据如下公式求得其中R1是 VOUT端和 FB端之间的电阻，R2是 FB端和GND端之间的电阻，调节R1与R2的阻值即可控制输出。RUN引脚是使能端，当输入电压高于1.2V时LTC3111工作，当输入电压低于1.08V时芯片停止工作，这里可以直接连接到输入引脚VIN。输入引脚VIN需要接至少10uF的低ESR、ESL的陶瓷电容，输出引脚接22uF的低ESR陶瓷电容。PWM/SYNC引脚是模式选择和同步输入引脚，当输入电压低于0.5V时芯片处于burst mode工作模式；当输入电压高于1.5V时芯片处于800KHZ固定频率模式。如果想自行设定频率，可以输入在600KHZ到1.5MHZ之间的数字脉冲信号，此时内部晶振会被覆盖。采用LTC3261输出-15V电压，LTC3261具备两种模式：frequency mode和 burst mode，在 burst mode下，输出电压 VOUT=-0.94×VIN；在 frequency mode 下，输出电压VOUT=-VIN。这里选择frequency mode，MODE引脚接低电平。采用LTC3103输出3.3V电压，LTC3103具备forced continuous mode与burst mode，MODE引脚接高电平采用burst mode，低电平采用forced continuous mode，这里选择burst mode。电感值会影响输出电压纹波和转换效率。电感值越大，电流纹波越小，相应输出电压纹波也会降低。但是，较大的电感值意味着需要较大的串联电阻，从而抵消了效率上的优势，根据数据手册的建议，输出3.3V时电感最小值为8.3uH。除电感外，输出电容也会对电路性能产生影响，电容值太小，环路交叉频率将增加到开关延迟和误差放大器的高频寄生极会降低相位裕度的程度，此外，小输出电容产生的更宽的带宽将使环路更容易受到开关噪声的影响；电容值太大，交叉频率会降低到补偿零点以下，导致相位裕度降低。根据数据手册的建议，电容取值应在4.7-47uF范围内。输出电压根据如下公式计算：

CFF是前馈电容，通过增加零极点对改变环路的动态特性，最终提高动态响应的速度和相位裕度，在负载瞬态变化时获得较小的电压偏差。

图1 供电电路

（二）模拟隔离电路

相对于监控器，Rockwell-HOTS实验室环境采样信号是外界信号，为了防止干扰信号混杂在采样信号中进入监控器内部数字系统，采用隔离提高硬件系统的抗干扰性。常见的如光电耦合器件HCN201等断开输入地与输出地，切断干扰回路，实现干扰信号的抑制[7-8]。HCN201线性度0.01%，且需要较多的外围电路器件，不适合模拟信号的直接耦合。AD215是一款用于实现隔离和放大带宽模拟信号的隔离放大器，在具有宽带动态特性的同时保留直流特性，线性度在±0.005%，外围电路简单。电路如图2所示所示，输入输出关系可以根据如下公式计算：IF'=（1+其中 Rf是反馈电阻，Rg是增益电阻，IF'是采样输入信号，IF’是经过模拟隔离的采样输出信号。调节两个电阻的取值即可调整输入输出的比例关系，实现采样信号的隔离，提高系统可靠性。Rin是限流电阻，当AD215没有工作时，可以把输入电流限制在5mA。Rf和Rg的阻值选择需要满足以下条件：（1）增益网络的总阻抗值应小于10κΩ；（2）±10V时电阻Rf中的电流牵引应小于1mA；（3）电路的放大增益由Rf和Rg共同决定。AD215输入电压推荐范围在±14.5V到±16.5V之间。低于这个范围可能导致芯片停止工作，高于±17.5V可能会破坏内部组件。

图2 模拟隔离电路

（三）Wi-Fi电路与数据传输

ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够独立运行，也可以作为slave搭载于其他Host运行。基于ESP8266设计无线网络电路承担网络连接应用时，可以通过AHB桥接口或者SPI/SDIO接口与微处理器连接，电路图如图3所示。ESP8266有三种省电模式：modem sleep，light sleep和deep sleep。modem sleep模式用于PWM 或I2S应用等CPU一直处于工作状态的情景，在保持Wi-Fi连接时，如果没有数据传输，可根据802.11标准关闭Wi-Fi Modem电路来省电。比如在DTIM3时，每sleep 300mS，醒来3mS接收AP的Beacon包等，功耗电流约15mA；light sleep模式用于Wi-Fi开关等CPU可暂停的应用，在保持Wi-Fi连接时，如果没有数据传输可根据802.11标准（如U-APSD）关闭Wi-Fi Modem电路并暂停CPU来省电，功耗电流约0.9mA；deep sleep模式下不需一直保持Wi-Fi连接，很长时间才发送一次数据包的应用，如每100秒测量一次温度的传感器：每300S醒来后需0.3-1s连上AP发送数据，功耗电流可远小于1mA。

图3 ESP8266电路图

基于LabVIEW编写上位机程序，利用LabVIEW提供的TCP vis建立TCP通信，主要包括打开vi、侦听vi、写入vi、读取vi和关闭vi等。监控器上的摄像头采集的视频数据传输过程如下：首先转换成字符串类型，然后传送字符串数据的长度和内容。上位机程序接收视频数据时先接收4个字节数据，代表的是视频字符串数据长度，然后是字符串内容。这里要用到LabVIEW-Vision的NI-IMAQdx提供的vis实现功能，其中IMAQdx open camera.vi打开摄像头，IMAQdx configure grab.vi 配置 vi，IMAQdx grab.vi采集数据，IMAQdx create.vi采集数据输入，IMAQdx close camera.vi关闭摄像头。监控器与上位机程序之间通过Wi-Fi网络进行通讯，接收的数据通过数据的拆分运算显示在上位机程序界面，如果是视频数据，用unflatten from string.vi还原后传输至显示窗口；如果是温湿度等信息则通过字符串的截取和数值转换vis进行显示，并根据预先设置的阈值判定是否亮起警示灯。

（四）液晶显示电路

为了便于管理人员就地了解实验室环境信息，设计了液晶显示电路，管理人员可通过触摸方式操作。因为STM32内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，在选择显示面板时应自带含有这些驱动芯片的驱动电路，STM32通过驱动芯片控制液晶屏和触摸屏。本文选择野火3.2寸液晶屏，使用ILI9341控制液晶屏、XPT2046控制触摸屏，电路图如图4-5所示。液晶控制器与MCU通信一般采用8080或6800接口，实际应用当中SPI接口也可以。ILI9341通过8080时序与MCU的IO口进行通信，但效率较低，我们采用FSMC模拟8080时序。FSMC是静态存储控制器，使用它的NOR/PSRAM模式控制LCD，根据STM32对寻址空间的地址映射，地址0x60000000-0x6FFFFFFF分配给NOR FLASH类的可寻址器件。FSMC写NOR时序与8080接口时序十分相似，区别仅在FSMC的地址信号A[25:0]和8080的数据/命令选择信号D/CX上。在设计时把FSMC的A0地址线连接8080的D/CX，当A0=1，D[15:0]的信号被理解为数值；当A0=0，D[15:0]的信号被理解为命令。

图4 XPT2046电路

图5 ILI9341电路

为了提供给用户可交互的系统，触摸屏通常与液晶屏配套使用，组合成一个可交互的输入输出系统，这里采用电阻屏，这里芯片选择XPT2046。STM32F103VET6通过 SPI接口与XPT2046通信，XPT2046的X+、X-、Y+和Y-四个引脚与两层阻性材料的两端相连。当测量X坐标时，STM32F103VET6通过SPI接口向XPT2046写命令，通过XPT2046的内部模拟开关使X+X-通电，在屏幕的X方向产生一个匀强电场，将Y+Y-连接到XPT2046的AD，当触摸屏幕时，上下两层的阻性材料接触，在PENIRQ引脚产生中断信号，触点的电压通过Y+Y-传输给AD采样测量，STM32F103VET6读取电压计算触点的X方向坐标，同理测得Y方向坐标。

（五）摄像头电路

选择OV7670摄像头设备，其采用的FIFO是容量为384KB的AL422B，我们的监控分辨率在240*320，用RGB565表示每个像素点，那么每个像素占用2B，每一幅图像占用240*320*2B=153600B，而AL422空间是384KB，满足监控需求。电路图如图6-7所示，基本原理如下：WEN与HREF输入信号传输给与非门，输出端口连接到AL422B的WE端口，当WEN=1，HREF=1时，输出Y=0，WE端口输入0，此时允许图像数据传入FIFO。设计时可以把WEN端置高电平1，来自摄像头端的HREF输入高电平1，WE端输入低电平0，伴随着PCLK的运转，摄像头的像素数据会被送入FIFO，当HREF输入低电平0时，WE端输入高电平1，此时无法写入数据。即使PCLK仍在运转，也不会传送数据进入FIFO，从而防止采集到无效数据。

图6 OV7670电路图

图7 AL422B电路图

四、结语

基于LabVIEW的监控显示终端如图8所示，报警指示包括烟雾、CO2、火焰等，正常情况显示白色，超过界限值显示红色。针对铜陵学院Rockwell-HOTS实验室缺乏监控设备的不足之处，基于嵌入式技术，以STM32F103VET6为核心，辅以模拟隔离、无线网络、触摸屏与液晶显示、摄像头等设备设计了监控器，从硬件构成进行了较为详细的描述。实验环境下的测试表明监控器抗干扰性较好，能按照要求实时监控，性能稳定，满足控制需求，达到了预期目标。

图8 上位机程序显示