摘要：介紹了基于微控制器的激光防撞裝置的設計方案，該設計以嵌入式混合信號微處理器STM32F103RBT6作為核心，采用PWM控制輸出、CAN總線輸出和繼電器控制輸出來實現天車與天車間的防撞。硬件電路設計簡單，軟件設計模塊化，降低成本，減小體積，目前該防撞裝置在調試階段運行比較穩定。

　　關鍵字：激光防撞,STM32F103RBT6,CAN總線

　　0引言

　　天車又稱起重機，是現代工業生產中的一種重要設備，種類繁多，使用量大[1]。隨著天車在經濟建設中的地位越來越重要，天車的使用越來越廣泛，對于天車的使用、管理與安全檢驗等方面的要求也越來越嚴格，尤其是安全檢驗方面[2]。很多重工業企業車間的天車往往是多臺配合工作，以起吊大型超重的設備。由于作業頻繁，多臺天車需要同時作業，可能發生相撞事故，這對天車本身、檢測元件和控制器會產生損壞，對生產造成影響，同時也對操作人員的人身安全造成威脅[3]。采用激光防撞裝置，可接受來自兩個不同方向激光傳感器發出的信號，即測得的天車間的距離，通過串口將數據傳送到微控制器，在微控制器中進行計算和分析，最后輸出控制外圍電機的急停、加速減速行駛或使電機正轉反轉，從而避免天車間的相撞，通過調試已經基本滿足設計要求。

　　1硬件電路設計

　　以嵌入式混合信號微控制器STM32F103RBT6為核心，由外部電源提供穩定的直流24V電壓，通過B2405將電壓經隔離后轉換為穩定的5V電壓，進一步通過AS1117集成電路的轉換為CPU提供穩定的3.3V工作電壓。采用兩個不同方向的激光傳感器進行測距，將數據通過MAX232的電平轉換，傳輸給微控制器，再經過光電耦合器以電流信號的形式輸出控制變頻器，使得電機達到加速和減速的效果;以CAN總線的形式輸出控制電機驅動器從而控制電機的正轉或反轉;通過繼電器以電壓輸出控制形式使電機達到急停的效果。為了方面本設計還設計5位按鍵電路，功能分別是電源指示、顯示狀態、調節大小、模式設定。為顯示直觀，本系統采用迪文液晶顯示，顯示接口電路設計簡單，采用MAX232串口電平轉換進行數據傳輸，其整體電路框圖如圖1所示。

　　1.1 PWM控制輸出電路V/I轉換電路

　　將激光傳感器測得的數據送往微控制器，進行分析運算，然后對電流信號進行處理，發出連續高頻脈沖[4]，如圖2所示。從微控制器的GPIO口輸出PWMC經高速光耦合器6N137進行隔離，這樣可以提高抗干擾能力。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有1個850nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成。其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，5mA的極小輸入電流。脈沖信號經過光電隔離后，多通道模擬開關CD4011進行傳送并整形。CD4011由電平轉換電路、譯碼電路和開關電路三部分組成，其供電電壓為5V，通過TL431為其供電。TL431是一個良好的熱穩定性能的三段可調分流基準源，它的輸出電壓可以設置2.5~36V的任何值。進入由LM358連接成的射隨電路，這種放大器的放大倍數接近于1，也就是說該放大器的輸出跟輸入信號相同，即輸出信號隨輸入信號的變化發生相同的變化，可以保證輸出端的電壓和輸入端相同，也可以更好地帶動后面電路的負載運行。經V/I轉換電路(運放LM358B、PQ1)變換為4-20mA電流信號輸出。通過實際的運算與調試，確定電路中各個元器件的參數。

　　1.2 CAN總線接口電路

　　由于STM32F103RBT6內部集成了CAN總線控制器，且CAN接口兼容規范2.0A和2.0B(主動)。位速率高達1兆位/秒，它可以接受和發送11位標示符的標準幀，也可以接受和發送29位標示符的擴展幀。具有3個發送郵箱和2個接受FIFO，3級14個可調節的濾波器[5]。所以只需外加總線驅動器并加上適當的隔離就可以了，電路上顯得非常簡潔。CAN總線信號CANTX和CANRX從STM32F103RBT6出來之后，直接經過通用型數字隔離器AduM1201進行隔離，再經過CAN總線驅動器接口芯片PCA82C250，然后接到CAN的數據線上，如圖3所示。由于工業現場環境惡劣，電磁干擾與瞬時干擾比較嚴重，為了保證系統的可靠性，微控制器與接受驅動器之間用PCA82C250進行隔離，避免總線上的瞬時干擾。AduM1201隔離器在一個器件中提供兩個獨立的隔離通道，兩段工作電壓為2.7V~5.5V，支持低電壓工作并能實現電平轉換。具有很低的脈寬失真，還有直流校正功能。自帶刷新電路保證了即時不存在輸入跳變的情況下輸出狀態也能與輸入狀態相匹配，這對上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入情況下是很重要的。同時，由于磁隔離在設計上去掉了光電轉換環節，因此它的功耗僅為光耦的六分之一到十分之一，具有更高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力，但是需要注意的是兩邊的電源一定要隔離處理，否則無效。

　　CAN總線終端匹配電阻是必須使用的，總線兩端的120歐姆電阻對于匹配總線阻抗起著相當重要的作用。

　　1.3 繼電器控制輸出模塊

　　繼電器驅動電路的設計主要是根據所用的繼電器線圈的吸合電壓而定，STM32F103RBT6不能直接控制繼電器工作，需要24V電壓控制。在繼電器控制模塊中通過使用一個三極管放大電路把電壓提高到24V，如圖4所示。其中為了防止繼電器掉電時放電燒損三極管，需要在繼電器的控制端兩個端口處連接一個二極管起到穩壓保護所用。

　　2 軟件設計

　　本系統軟件部分采用C語言編程，模塊化程序設計方法。

　　2.1 PWM控制輸出模塊

　　4-20mA利用PWM脈沖寬度調制方式產生，用來控制天車速度，即用電流控制變頻器運行頻率，繼而控制電機的轉速。其程序流程圖如圖5所示。

　　2.2 CAN總線程序設計模塊

　　通過減速和急停使得天車之間沒有發生相撞，該程序模塊的設計主要任務是通過激光傳感器發送到CPU的信號，經CPU內部的分析和運算，轉發給CAN節點來控制電機的正反轉，使得報警解除，同時使天車之間達到設定的安全距離。其中主要包括CAN的通信部分和數據發送和接收部分。其程序流程圖如圖6所示。

　　3 結論

　　本設計采用了嵌入式混合信號微處理器STM32F103RBT6，使設計電路大大簡化，從而減低了成本，減小了體積，提高了運行的穩定性和可靠性。在試用中有效的起到了防撞的作用。

　　參考文獻：

　　[1] 唐睿。基于視頻的橋式起重機遠程控制系統研究.[碩士學位論文].昆明：昆明理工大學.2007-04.

　　[2] 付海波.基于RFID的天車防撞系統的研究與設計.[碩士學位論文].武漢理工大學：2009-06.

　　[3] 毛亞紅，王國坤.TQJG-2000型激光防撞裝置在鋁電解多功能天車中的應用.有色設備，2006(2).

　　[4] 張明峰.PIC單片機入門與實踐[M].北京:北京航空航天出版社，2004.

　　[5] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器開發與應用.清華大學出版社，2011.