動物瘤胃體外連續培養系統顯示與控制系統的設計與實現

馬明濤（吉林農業科技學院,吉林 吉林 132101）

動物瘤胃體外連續培養系統顯示與控制系統的設計與實現

馬明濤
（吉林農業科技學院,吉林 吉林 132101）

本設計是以STM32F103主控板為核心，充分利用其I/O引腳，并通過與操作系統的結合，實現系統各個任務之間的實時性的調度，使每個任務的執行時間得到一個非常準確的保證，并把該信息顯示到TFTLCD顯示屏上并且通過觸摸屏進行一些參數的設置，實現了一個非常好的動物體外連續培養系統的人機交互界面，同時其它引腳控制電機來實現功能。STM32的高速處理速度以及超低功耗，給動物體外連續培養系統的電機控制帶來了很大的改進。

嵌入式；電機；STM32；TFT

0 引言

人工瘤胃設備是動物醫學反芻學研究的高精尖設備。目前比較先進的是吉林農業大學的瘤胃體外連續培養系統，但是設備使用PLC控制器作為電控的主控單元，無論是在成本上、設備所占用面積、以及操作的人機交互界面上都不符合現代社會對精密儀器的要求的需要。本文在現有瘤胃體外連續培養系統上進行改進，主控器采用目前較先進的嵌入式處理器。對動物體外連續培養電控系統，主要的研究內容有：控制大型步進電機，采集甲烷、氨氣、二氧化碳的濃度參數。利用現有的性價比較高的STM32F103處理器作為主控制器，用μC/ OS-II作為操作系統，用320*240 TFT作為人機交互界面。 原理圖見框架圖1。

圖1 框架系統

1 STM32F103微處理器

系統架構微處理器STM32F103是意法半導體公司推出的高性能32 Cortex-M3的，作為工業控制的核心處理器。通過多層AΗB內部總線架構的處理器連接，內部整合集成豐富的外設：USART，bxCAN，SPI，ADC等。微處理器是一個100引腳，該芯片集成了128 KB閃存，高達64 KB的SRAM。一個系統定時器（內部看門狗定時器）主要用于制作嵌入式操作系統移植。有了這個定時器，你可以很容易地實現所需的便攜式操作系統時鐘中斷。此計時器的實施，極大地方便了μC/ OS-II系統在處理器上移植[1]。

2 顯示系統的設計

在嵌入式系統的圖形用戶界面需要輕型，占地面積小，高性能，高可靠性，便攜性，可配置等特點。 μC/ GUI是這樣專為嵌入式圖形用戶界面軟件設計的應用程序。 μC/ GUI內核是非常小的，含有一個窗口，并控制整個μC/ GUI。系統的管理只需要30～60K的ROM中的，2～6K的RAM（基于窗口的數量），和1. 2K堆?？臻g可以流暢運行。μC/ GUI是完全用ANSI2C編譯的，所以它是與處理器無關的，它可以很容易地移植到不同的操作系統和嵌入式微處理器，并支持任何規模大小圖形液晶顯示器。它在任何使用獨立的處理器和LCD控制器之外的有效的圖形用戶界面的接口，并支持單色，灰度和彩色顯示。它的2D圖形庫和窗口管理功能，可以讓我們輕松實現類似于嵌入式系統Windows圖形界面。

TFT-LCD它是一個薄膜晶體管液晶顯示裝置。TFT-LCD和無源的TN-LCD，STN-LCD的簡單矩陣不同的是每個像素設置有薄膜晶體管（TFT），能有效地克服非選通時的串擾，靜態特性顯示液晶屏與掃描線數無關，從而大大提高了圖象質量。 TFTLCD包含16條數據線，讀寫線，指令/數據控制線，片選線，液晶硬件復位線，背光控制線。STM32F103VET6作為MCU，FSMC一個16位的并行接口，以18080接口的定時。為了實現彩色顯示和效率的平衡，在使用16位64K彩色接口模式。有五個紅，六個綠，五個藍色的各像素來代表共16個，320 * 240的分辨率。圖像占據320 * 240* 2 =153600字節[5]（圖2）。

圖2　TFTLCD電路

3 步進電機

3.1 硬件部分

系統中用的TΗB6128是東芝公司生產的57系列步進電機。TΗB6128細分型兩項混合式步進電機驅動控制芯片，最高耐壓40V （DC），適用驅動電流小于2A，外徑小于57毫米的兩相混合式步進電機，如24、28、39、42、57等步進電機,具有快衰、慢衰、混合式衰減三種衰減方式，內置溫度保護和過流保護[6]。驅動原理：STM32的通用定時器3產生的兩路PWM輸出為電機1和電機2提供穩定的驅動脈沖。通用輸入輸出口PC1、PC2、PC3用來控制電機1的細分設定，通用輸入輸出口PB12、PB13、PB14用來控制電機2的細分設定。電路原理圖如圖3。

3.2 軟件部分

STM32的定時器除了TIM6，TIM7外都能用來產生PWM波輸出，其最多可以同時產生30路PWM輸出。它不像51單片機那樣，需要通過輸出高低電平來模PWM的輸出，只需要配置定時器和端口，通過軟件改變占空比即可，不同的占空比能對電機起到調速的作用。

圖3 電機原理圖

PWM輸出配置[6]

（1）開啟TIM3時鐘，配置PC6、PC7為復用輸出。通過設置APB1ENR開啟TIM3的時鐘，配置PA7為復用輸出，打開TIM3_ CΗ2、TIM3_CΗ3；（2）設置TIM3的ARR和PSC 。打開TIM3時鐘之后，設定ARR和PSC兩個寄存器的值來控制PWM周期的輸出；（3）設置TIM3_CΗ2、TIM3_CΗ3的PWM模式。設置TIM3_CΗ2為PMW模式（默認是凍結的），因為系統需要1KΗz的方波作為電機的驅動脈沖，所以通過配置TIM3_CCMR1的相關位來控制TIM3_CΗ2的模式來輸出1KΗz方波后保持不變即可；（4）設置TIM3的CΗ2輸出，使TIM3能用。設置完后，啟動通用定時器TIM3的通道2、通道3以及TIM3。前者由TIM3_CCER1設置，它是一個單路開關，后者通過TIM3_CR1設置，是整個TIM3的總開關。設置這兩個寄存器，可以看到TIM3通道2的PWM波輸出。

通過以上步驟，STM32的PC6和PC7就可以控制TIM3的CΗ2、CΗ2輸出 PWM波了。

4 結語

系統上電，觸摸屏控制正常，電機按照觸摸屏動作進行正反轉、調速。二氧化碳傳感器、甲烷傳感器實時監測氣體濃度，并且將監測的氣體濃度上傳到系統內部，通過液晶屏輸出顯示。各個部件均按照設計正常工作和運轉，系統改造設計成功。

[1]基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京航空航天大學出版社,2008.

[2]任哲.嵌入式實時操作系統原理及其應用[S].北京航空航天大學出版社,2006.

[3]奮斗嵌入式開發工作室.嵌入式實時操作系統ucosII在奮斗板上的應用[J].2011.

[4]周立功.ARM嵌入式系統實驗教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005(01).

[5]基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京航空航天大學出版社:2008. [6]高細分步進電機集成芯片THB6128[ EB /OL].

馬明濤（1972-），男，吉林吉林人，副教授，主要從事：電子電路和信號的檢測、傳輸方面的研究。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.221

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目 （編號2013342）