基于STM32电气控制器硬件设计

2020-09-10李通韩建萍魏诚

山西能源学院学报 2020年4期

李通韩建萍魏诚

【摘要】可编程控制器在工业控制中取得了巨大成功，但是也存在价格昂贵、维护成本高等问题。本文利用STM32单片机设计了一种可用于小规模控制场合的电气控制器，该控制器包括硬件设计和软件设计两部分。文中主要论述电气控制器各模块设计思路并给出部分模块电原理图，电气控制器采用硬件模块化设计理念，设计了电源模块、CPU模块、高速IO模块、普通IO模块、通信模块及其他辅助模块。目前，该控制器已完成样机试制，并在山西某立体车库上进行功能测试，测试效果良好，具有很大实用性。

【关键词】 STM32单片机;电气控制;可编程控制器

【中图分类号】 TP23 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）04-0100-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1概述

在工业控制领域，可编程控制器发挥了巨大作用，但是在小規模应用场景中也存在价格昂贵、维护成本高的问题。针对上述问题，文中采用32位高性能单片机设计了一种可用于小规模控制场合的电气控制器。硬件上采用模块化隔离设计理念，不同电压等级的模块之间采用电气隔离措施，提高控制器的抗干扰性和安全性。下面详细介绍电气控制器各模块的设计思路及部分模块电原理图。

2电气控制器结构设计

控制器主要由电源模块、CPU模块、普通IO模块、高速IO模块、后备电源模块、CAN总线通信模块、RS232通信模块、RS485通信模块、掉电检测及报警模块，共计9个模块组成。电气控制器结构框图如图1所示。

3电气控制器硬件模块设计

3.1电源模块硬件设计

电源模块为控制器的各模块提供稳定的电能，模块结构如图2所示。

电源模块由电源滤波电路、5V电源转换电路、5V电源隔离电路和3.3V输出电路组成。

电源滤波电路主要为整个控制器和输入输出接口电路提供干净的电源（此处外部电源采用24V直流电源）。它采用型号为UU9.8-10mH共模电感、保险丝、热敏电阻、二极管等辅助元器件，实现滤除外部电源中的干扰并具有短路保护、过流保护和防接反功能。5V电源转换电路采用LM2576-5.0开关电源稳压芯片输出5V电压为高速IO模块供电。5V电源隔离电路采用金升阳公司的型号为F0505S-2WR2的电源隔离模块实现与外部电源的电气隔离，主要为普通IO模块、通信模块供电，经转换为3.3V后为CPU模块供电。

3.2 CPU模块硬件设计

CPU模块是电气控制器的核心部件，模块结构图如图3所示。

CPU芯片采用意法半导体公司生产的32位高性能单片机STM32F103ZET6芯片，该单片机采用Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，指令的平均执行速度可达1.25MIPS/Mhz，即每条指令的执行时间约为11ns。该芯片共有144引脚，64KB的SRAM、512K的FLASH，片内资源丰富，性能稳定，功耗低，满足设计要求。

CPU模块除了SWD程序下载电路、时钟电路、复位电路等最小系统电路外，还设计了后备电源电路、状态指示电路，利用片内的串行通信控制器设计RS232和RS485通信模块，利用CAN总线控制器设计了CAN通信模块，利用IO接口设计了高速IO模块、普通IO模块和掉电检测及报警模块。

3.3 IO模块硬件设计

IO模块整体结构图如图4所示，分为高速输入接口和高速输出接口，普通输入接口和普通输出接口4种。

高速输入接口即高速DI，控制器中共设计了两路高速DI，电路原理图如图5所示。

由图5可知，高速DI电路采用日本东芝公司的高速光耦TLP109，根据TLP109的数据手册可知，该芯片的隔离电压为≥3750V;该电路只能接入NPN型信号，即X01处为低电平时PG5/X01处也为低电平。该电路可输入频率不大于100kHz，幅值为24V的方波信号。

高速输出接口即高速DO，高速DO由两部分组成，第一部分作用是实现控制器端口和输出驱动电路的电气隔离，如图6（a）所示;第二部分的作用是驱动外部电路正常工作，如图6（b）所示。

第一部分采用Analog Devices公司的双通道数字隔离芯片ADuM1200ARZ。根据数据手册，该芯片的隔离电压为25kV，数据传输速率最高可达25Mbp。

第二部分采用美国ON Semiconductor公司的MJD122达林顿功率三极管驱动外部电路。根据数据手册，该芯片最大可输出8A电流，电平转换时间与输出电流有关系，最大转换时间<3us，因此，理论转换速率可达300kHz左右。

普通输入接口即普通DI，电原理图如图7所示。

控制器中共设计了22路普通DI，它设计为既可输入NPN信号也可输入PNP信号，图7所示电路为电气控制器中一路输入通道电原理图，输入信号从X25处输入，若传感器为NPN型信号则将0欧电阻R255焊接;若传感器为PNP型信号则将0欧电阻R254焊接，隔离光耦采用型号为LTV354T的交流光耦，输出端接入单片机的PG1引脚。（注意：R254和R255不可同时焊接）

普通输出接口即普通DO，电原理图如图8所示。控制器中共设计了12路普通DI。下面以其中一路来说明电路构成，图8中ULN2803A为8路输出500mA的达林顿管，PD5/Y00～PA8/Y07分别于单片机IO口相接，RELAY00～RELAY07分别于对应的继电器线圈及指示灯相连接，

COM00为公共端口，Y00与外部负载相接。输出继电器采用富士通公司的F3AA024E继电器，线圈输入电压24V，输出即可以驱动直流驱动器，也可以驱动交流驱动器;最大电流3A。

3.4通信模块硬件设计

通信模块结构框图如图9所示，模块包括CAN总线通信接口、RS232通信接口、RS485通信接口。

CAN总线是工业控制中最常用的通信总线之一。电气控制器中采用TI公司的ISO1050CAN总线隔离芯片实现CAN总线电平转换，该芯片具有输入输出电气隔离功能，极大地保护了CPU模块上的CAN控制器模块的安全。

RS232和RS485也是常用的串行通信接口，在电气控制器中分别采用ADM3251E和ADM2587E通信隔离转换芯片实现将CPU模块中的TTL电平转换为标准的RS232电平和RS485电平。电路设计简单，安全可靠，也保护了CPU的安全。

3.5掉电检测模块硬件设计

掉电检测模块主要作用是当外部电源因故障失压时，控制器可以将RAM中的工作数据保存到FLASH中，在电压恢复时，再恢复到断电前的工作状态，保证控制器工作的连续性。

4总结

基于STM32单片机的电气控制器采用高低电压隔离，通信隔离的硬件电路设计方式，提高了控制器的安全性与可靠性。

目前，试制后的样机已在山西某公司的垂直循环车库上完成验证性试用，效果良好，达到了设计要求。

【参考文献】