基于STM32的智能牽引機的通信系統的設計

　　牽引機是用于 220KV 以上高壓輸電線路施工中必不可少的工程機械。針對電力施工企業的牽引機的改造需求，設計了基于STM32智能牽引機的通信系統。該系統以STM32F407為主控芯片，分別設計了CAN總線模塊、觸摸屏通信模塊和無線通信模塊。經工程實踐表明該系統應用效果良好，滿足企業的要求，在市場上與同類型產品相比，具有一定的優勢，具有很高的實用價值。

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　　作為輸電線路的架空施工過程中最為重要的機械設備之一，牽張設備中牽引機通信系統的高效性、可靠性對施工的安全及工程進度有著舉足輕重的影響。國內的許多電力施工企業的牽張設備目前研究方向集中在牽張設備系統故障的預防和排除，但是近幾年由于施工現場的指令不明等因素導致的人身安全及設備損耗等事故日益顯著，對于牽引機的通信系統研究比較少。因此，研發設計一種牽引機通信系統控制器，具有重要的意義，這可以提高牽張設備架線施工過程中的可靠性、安全性，減小架線人員的工作強度，規避重大性災難事故的發生、杜絕巨額的經濟損失。本文選擇意法半導體公司的嵌入式領域主流高性能芯片STM32F407作為通信系統的微控制器。

　　1 通信系統的總體設計

　　牽引機的通信系統是由CAN總線通信模塊、觸摸屏通信模塊、無線通信模塊與存儲模塊組成。CAN總線通信模塊分為CAN1與CAN2通信;CAN1與東風康明斯發動機通信，用來讀取發動機轉速、水溫、機油壓力等數據并且可以控制發送機的轉速，用來調整牽引卷筒的輸出轉速與轉矩;CAN2用于多機通信，把不多于四臺的牽引機組成一個系統，通過設置主輔機的模式，操作人員通過控制一臺主機，就可以實現主輔機同步同轉速牽引鋼絲繩。

　　STM32F407通過RS485總線與觸摸屏通信，顯示采集到的數據和輸入控制參數等功能。可以實時監控牽引機的運行狀況，可以使施工人員更方便。

　　無線通線模塊采用市場上最流行的SIM868模塊，其具有GPS衛星定位與數據傳輸等功能。由于牽引機長年在野外工作，為了業主更好的管理牽引機，需要GPS衛星定位功能給牽引機進行實時定位;還需要把牽引機數據實時上傳到服務器。

　　采集到的數據可以存儲在SD卡中;不用更改的觸摸屏數據存在外部Flash中，每次觸摸屏的初始數據變化時，STM32F407向外部Flash寫一次。

　　2 控制器的硬件設計

　　STM32F407是由ST(意法半導體)公司開發的一種高性能微控制器。STM32F407選用基于 ARMV7 架構Cortex-M4內核的32位嵌入式微控制器，具有192KB的SRAM，1MB的FLASH，其內核的構架非常先進，性能也十分優越，主頻率最高可達168MHz，運算能力及數據處理水平也非常優越，不僅可以完全滿足智能牽引機的通信系統的需要，而且在硬件設計過程中容易很多，使得該芯片非常適合用于各種產品及工業控制。

　　2.1 CAN通信模塊設計

　　本文采用CAN總線實現與發動機通信和多機通信功能。CAN總線收發器采用ADM3053芯片，其內部集成了DC-DC轉換器，可以隔離STM32F407與發動機ECU的信號與電源，使通信更加安全、高效。可以把CAN總線上收到CAN-H、CAN-L信號轉換為相應的數字信號，送到STM32F407的CAN總線控制器引腳。為了防止回波發射，CAN總線的起止端都有一個120歐姆的終端電阻來做阻抗匹配。

　　2.2 觸摸屏通信模塊設計

　　本文需要用觸摸屏作為人機界面，監控、顯示系統的運行狀態，如ADC采集數據、發動機相關參數等。STM32F407與觸摸屏的通信電路采用RS485總線，簡單高效，保證了數據傳輸的可靠性。

　　網絡層主要采用RS485/Modbus總線模式，分為物理層、數據鏈路層和應用層;物理層采用RS485串行接口;數據鏈路層采用Modbus串行鏈路協議;應用層采用Modbus協議。

　　其中物理層的實現是把數據通過STM32轉化成串行數據，再經過RS485轉換芯片轉換成RS485總線電平信號。RS485轉換芯片采用ADM2582。該芯片的前后信號、電源全隔離，具備±15 kV ESD保護功能，可以進行高速、多點通信，完全符合本系統要求。

　　2.3 無線通信模塊設計

　　無線通線模塊采用SIM868模塊。此模塊性能穩定，工業級接口標準，內嵌TCP/IP協議，可以實現語音、短信、數據傳輸、藍牙、GPS衛星定位等功能。該模塊功耗較低，與STM32可以依靠串口通信來實現數據的傳輸，上面的天線還可以采用直連的方式來保證阻抗的相互匹配。

　　2.4 存儲模塊

　　采用4G的SD卡用來存儲ADC采集到的數據和CAN總線讀取的發動機參數，SD卡與STM32F407處理器自身具有的SDIO接口完全兼容。STM32F407的SDIO接口，最高通信速度可達 48MHz，最高每秒可傳輸數據24M。

　　Flash采用的是W25X128，它是一種NOR型SPI Flash，存儲高達128Mbit;它通過SPI總線與STM32F407進行數據傳輸，用于存儲觸摸屏的固定參數;同時對Flash的CS#、CLK、DI、DO進行置位與復位的操作，便可以實現對Flash的讀、寫、擦除控制。

　　3 控制器的軟件設計

　　系統軟件設計在Keil MDK-ARM開發環境里編寫。它集成了業內最領先的技術，融合了中國多數軟件開發工程師所需的特點和功能，提供了完善的設備調試和軟件仿真功能，包含了眾多的案例模板和固件實例，支持多種調試接口 ( 如UART、JTAG 及 JLINK 等 ) ，可大大減小開發難度，縮短開發周期。主程序流程圖如圖1所示：

　　3.1 CAN總線通信軟件設計

　　CAN總線程序是依靠查詢的方式來發送數據，運行中斷方式來接收數據的節點的主程序主要是初始化的控制器CAN以及數據的發送、接收和處理部分。CAN總線子程序流程圖如圖2所示。

　　3.2 觸摸屏通信軟件設計

　　實現觸摸屏與STM32的通訊，主要是解決通訊協議的問題。本文使用開放的Modbus通訊協議，以觸摸屏作主機，STM32作從機。觸摸屏本身支持 Modbus通訊協議，如果STM32編寫底層的Modbus通訊協議，兩者就可以通信了。

　　觸摸屏作為上位機，通過串口向STM32發送查詢消息幀，并且接收 STM32 發送回來的消息回應幀;下位機 STM32接收到查詢消息幀后，對其進行解析、執行和回應。

　　Modbus協議有2種傳輸方式：ASCII和RTU。本文采用RTU傳輸模式，2個消息幀之間至少要相隔3.5個字符時間;消息幀在傳輸的過程中必須作為一段連續的數據流。

　　3.3 無線通信軟件設計

　　通過STM32F407的串口發送AT指令來控制SIM868模塊的相應動作，相關AT指令如表1所示。將SIM868模塊設置為透傳模式;這樣在模塊連接TCP成功之后，STM32就可以與SIM868模塊通信，SIM868模塊自動將數據發送至服務器端，極大地方便了軟件設計。

　　在模塊進行TCP連接后，若連接不成功則重新進行連接;若連接成功，則發送采集到的數據傳輸至服務器端，同時開啟串口中斷接收模塊的返回值，并判斷返回值是數據還是命令;若返回值為數據則啟用接收，若為命令，則根據命令號結合相應結構體處理命令。

　　行NMEA-0183數據解析。NMEA-0183是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式，目前業已成了GPS導航設備統一的RTCM標準協議。NMEA-0183 協議解析部分，這里利用了一個簡單的數逗號方法來解析。這樣，我們就可以通過STM32讀出牽引機所在地的經、緯度等信息。

　　4 結語

　　牽引機控制器設計完成后，在現場進行一系列測試，經工業現場運行表明，本系統具有通信實時性好，功耗低、可靠性高、抗干擾能力強等優點。設備運行情況良好，達到了預期目標，與目前國內的牽引機相比具有顯著優點。該控制器實物和觸摸屏顯示如圖3、圖4所示。

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