基于STM32的無線調(diào)節(jié)起跑器控制系統(tǒng)

林凱　王宇杰　章健

摘要：文章主要介紹了一種基于STM32可無線調(diào)節(jié)起跑器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心器件，賽前采集不同運(yùn)動(dòng)員對(duì)起跑器使用習(xí)慣的數(shù)據(jù)，通過PC機(jī)將信息利用nRF905無線模塊傳遞給起跑器上的單片機(jī)，由單片機(jī)控制調(diào)節(jié)起跑器的角度、位置。實(shí)現(xiàn)了縮短運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)起跑器的時(shí)間，有利于運(yùn)動(dòng)員提高比賽成績(jī)，同時(shí)加快了比賽進(jìn)程，增加了比賽的觀賞性。

關(guān)鍵詞：STM32 無線調(diào)節(jié) 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0003-02

1 引言

在短跑競(jìng)賽中，起跑器是常見的體育器材，它能幫助運(yùn)動(dòng)員提高起跑速度，取得好成績(jī)。但是運(yùn)動(dòng)員在賽前需要不斷手動(dòng)調(diào)節(jié)適合自己起跑的起跑器位置。如若沒有調(diào)節(jié)好自己適應(yīng)的起跑器位置便開始比賽，運(yùn)動(dòng)員很難取得自己理想的成績(jī)。本文設(shè)計(jì)了一種起跑器控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)賽前無線調(diào)節(jié)起跑器位置、角度，縮短了運(yùn)動(dòng)員賽場(chǎng)上手動(dòng)調(diào)節(jié)起跑器的時(shí)間，有利于運(yùn)動(dòng)員提高比賽成績(jī)，同時(shí)加快了比賽進(jìn)程，增加了比賽的觀賞性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、起跑器、RS232電平轉(zhuǎn)換電路、nRF905無線模塊、S3003舵機(jī)、42系列步進(jìn)電機(jī)、M542H電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直線滑臺(tái)、PC機(jī)組成。賽前采集運(yùn)動(dòng)員習(xí)慣使用起跑器的位置、角度等信息，存儲(chǔ)在PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。正式比賽前，使用PC機(jī)上位機(jī)界面將數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸給與PC機(jī)相連的STM32中，由無線模塊nRF905成功接收到STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后發(fā)送，當(dāng)裝在起跑器上的無線模塊nRF905成功接收后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給起跑器上的STM32單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為兩部分，一是調(diào)節(jié)角度信號(hào)即PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)抵足板角度的控制。二是將處理的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖個(gè)數(shù)，使固定在直線滑臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)，改變固定在直線滑臺(tái)上的兩抵足板的前后位置。無線調(diào)節(jié)起跑器的控制系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路及部分機(jī)械簡(jiǎn)圖

3.1 主控制器

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器芯片STM32F103VBT6作為控制核心。工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。采用STM32來接收PC機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和配合nRF905控制舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)起跑器角度、位置的調(diào)節(jié)。

3.2 無線傳輸模塊

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，最大數(shù)據(jù)速率為100kbit/s，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功率低，以-10dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流僅11mA，工作在接收模式時(shí)電流為12.5mA，具有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)功率管理。

STM32單片機(jī)內(nèi)部有硬件SPI通信接口，可直接與nRF905模塊的SPI接口相連，便于控制。STM32單片機(jī)與nRF905接線如圖2所示。

3.3 42系列步進(jìn)電機(jī)及M542H電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)使用的是42系列富興兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)，機(jī)身長(zhǎng)度33mm，額定電流1.33A，單軸輸出，整步工作時(shí)步距角為1.8度，整步（空載）精度達(dá)5%。 該步進(jìn)電機(jī)采用M542H電機(jī)驅(qū)動(dòng)，M542H是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，通過3位撥碼開關(guān)選擇8檔細(xì)分控制（1，2，4，8， 16， 32， 64，128 ），通過3位撥碼開關(guān)選擇6檔電流控制（0.5A，1A，1.5A，1.8A，2.5A，3A）。適合驅(qū)動(dòng)57、42型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)。能達(dá)到低振動(dòng)、小噪聲、高速度的效果驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.4 S3003舵機(jī)與抵足板機(jī)械簡(jiǎn)圖

本系統(tǒng)用STM32定時(shí)器輸出PWM信號(hào)，控制S3003舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而帶動(dòng)連桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與連桿相連的起跑器抵足板角度的調(diào)節(jié)。S3003速度在 4.8V時(shí)0.23秒/60度，在6V時(shí)0.19秒/60度，可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度，可直接用單片機(jī)供電，信號(hào)線與STM32的TIM腳相接，接收PWM信號(hào)。S3003舵機(jī)與抵足板連接機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖3所示。

如圖4，當(dāng)起跑器接收到調(diào)節(jié)角度的信號(hào)時(shí)，由于連帶1可自由活動(dòng)，單片機(jī)控制舵機(jī)5帶動(dòng)連接桿4旋轉(zhuǎn)所需角度，從而使與連接桿相連的抵足板2旋轉(zhuǎn)一定角度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由STM32程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)組成。

4.1 nRF905無線模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中nRF905無線模塊與STM32單片機(jī)通過SPI協(xié)議進(jìn)行通訊，無線模塊配置頻段在433MHz。（1）當(dāng)STM32單片機(jī)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI協(xié)議將接收節(jié)點(diǎn)的地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳給nRF905。 （2）STM32單片機(jī)將TRX_CE和TX_EN置高，進(jìn)入發(fā)送模式。（3）nRF905射頻寄存器自動(dòng)打開，加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼完成數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，DR腳置高。AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低。（4）當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905完成數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)進(jìn)入Standby模式。

4.1.1 接收程序設(shè)計(jì)

當(dāng) TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入ShockBurst接收模式；nRF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)；當(dāng)nRF905檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，接收數(shù)據(jù)，CD引腳被置高；當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包的地址是有效的，AM引腳被置高；當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和 CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高；STM32單片機(jī)把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入Standby模式；STM32單片機(jī)通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到單片機(jī)內(nèi)。

4.1.2 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是42系列兩相四線制混合式步進(jìn)電機(jī)，每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8°。步進(jìn)電機(jī)固定在直線滑臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周帶動(dòng)絲杠前進(jìn)或后退4mm，精度可達(dá)到0.001mm。能有效控制固定在滑臺(tái)上的兩抵足板之間的距離。

4.2 M542H驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4.2.1 M542H驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定

細(xì)分?jǐn)?shù)是以驅(qū)動(dòng)板上的撥盤開關(guān)選擇設(shè)定的，根據(jù)細(xì)分選擇表的數(shù)據(jù)在斷電情況下。設(shè)定細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)。

4.2.2 PWM占空比及頻率設(shè)置

STM32單片機(jī)有7個(gè)定時(shí)器，其中每個(gè)定時(shí)器均有4個(gè)獨(dú)立可編程輸出PWM通道。這里選用TIM1，設(shè)置時(shí)鐘為72MHz，向上計(jì)數(shù)，自動(dòng)裝載ARR的值。PWM占空比的頻率可由公式求出：f=72/（ARR+1）*（PSC+1）。PWM不同占空比的取值儲(chǔ)存在捕獲比較寄存器CCRx中，通過改變CCRx中的值來改變PWM的占空比。

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中上位機(jī)采用VB的MSComm控件進(jìn)行串口通信。STM32通過RS232串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于串口電平不匹配，需要電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用MSComm控件進(jìn)行串口通信的的步驟如下：（1）設(shè)置通信對(duì)象，端口號(hào)和配置格式。其中配置格式需要有起始位個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、校驗(yàn)方式、停止位個(gè)數(shù)等。（2）設(shè)定通訊協(xié)議。（3）打開數(shù)據(jù)端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（4）關(guān)閉通訊端口。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，需要將端口資源還給操作系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線調(diào)節(jié)起跑器角度、抵足板前后位置，節(jié)省了運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)上的調(diào)節(jié)時(shí)間，有利于個(gè)人發(fā)揮，同時(shí)加快了比賽進(jìn)度，可應(yīng)用于大中小等短跑賽事，具有廣闊的應(yīng)用前景。