基于STM32的直接數字控制器系統設計與實現

林智偉 玄金龍 亓金成 李雨簾 高倩

摘 要為滿足安全穩定的現場智能控制的需求，對基于STM32的直接數字控制器的設計進行了研究。采用模塊化設計和在線編程等技術，詳細介紹了控制器的硬件體系結構和各軟件功能模塊的設計，并對軟硬件功能等進行了測試。結果表明，控制器具有顯示直觀準確、操作方便、運行穩定可靠等優點，適用于各類監控及控制系統。

【關鍵詞】智能控制 STM32 直接數字控制器 傳感器

隨著自動控制系統智能化、高效化、節能化的不斷發展，早期采用中小規模集成電路的直接數字控制器已被市場淘汰。而作為一種現場控制器，直接數字控制器（direct digital controller，DDC）具有獨立的控制程序，能夠獨立完成過程控制的全部要素，具有一定的不可替代性。因此，基于科技發展與工業實際應用需要，設計一款以嵌入式開發為基礎的直接數字控制器具有充分的理論與實際應用價值。

1 總體設計

1.1 設計方案

本控制器選用ST（意法半導體）公司的32位ARM Cortex-M4架構的STM32F407系列單片機作為主處理芯片。在設計硬件電路過程中，各部分均采用獨立電源供電；隔離電路采用光耦隔離與最新的磁隔離技術相結合的方案；ADC與DAC均采用16位分辨率，結合獨立參考電壓源與輸入輸出調理電路保證了模擬量數據的可靠性；設計使用SHT21溫濕度傳感器對控制器工作的環境因素進行實時監控；借助成熟的TFT觸摸屏技術實現數據的實時顯示與人機交互功能。

1.2 系統框圖

直接數字控制器主要由五部分組成，分別是主控制器、電源、輸入口、輸出口、顯示屏。直接數字控制器通過模擬輸入口和數字輸入口對傳感器或者工業變送器上傳的電信號進行采集，經過濾波、轉換后送到主控制器單元；主控制器單元對傳送過來信號進行分析、處理后，按照程序設計輸出數字信號，輸出信號或經過數字輸出口轉換電平、或經過模數轉換器轉換成模擬量后輸出，對執行器進行控制。系統框圖如圖 1 所示。

2 系統硬件設計

2.1 電源電路

在設計電源電路時，各部分均采用獨立電源供電。輸入級首先采用成品的開關電源將220V/50Hz的市電轉換成24V的直流電，后采用DC/DC定電壓非穩壓模塊與線性LDO相結合的方式供電，采用外部精密電壓源為ADC與DAC提供參考電壓。

2.2 模擬輸入電路

AD7606內部自帶運放調理電路，因此輸入通道的外圍電路相對簡單，使用瞬態抑制（TVS）二極管作為防靜電保護器件。模擬量輸入通道可接收±10V信號，具有防靜電、限流、過壓保護能力。

2.3 模擬輸出電路

模擬輸出電路采用TI公司生產的16位數模轉換器DAC8563和 OPA4177運放及其外圍電路組成模擬輸出電路。使用16Bits、雙通道模數轉換芯片進行模擬量的輸出，其使用單5V供電，REF192作為精密電壓源提供參考電壓。輸出后級接OPA4177運放進行放大和跟隨。

2.4 數字輸入電路

數字輸入電路中，在繼電器、數字式光耦與數字隔離器之間選擇數字光耦TLP521作為數字輸入電路的隔離器件。開關光電耦合器TLP521作為電平轉換器，將24V信號轉換為3.3V信號，并使用LED燈作為通斷指示。

2.5 數字輸出電路

數字輸出電路同樣使用光電耦合器作為數字量輸出通道的隔離器件，但是在外部使用了三極管放大器來擴流、其最大輸出電流達1A，開關頻率可達20kHz。

3 系統軟件設計

直接數字控制器的軟件部分主要包括掃描程序、輸入程序、輸出程序和數據處理程序三大部分。掃描程序主要掃描儀表的按鍵和觸摸屏，實現從按鍵輸入數據或設置功能，完成對處理后的數據進行顯示的任務；輸入程序主要完成數據采集、數據存儲和數據通信的任務；輸出程序主要完成對設定的數字量和模擬量精確輸出的任務；數據處理程序數據濾波、運算和分析等任務。軟件整體框圖如圖 2 所示。

4 測試過程及結果

使用模擬量輸出通道1作輸出測試，模擬量輸出精度測試如表1所示。

測試結果表明，DDC在正常工作下，模擬量輸出精度能達到0.3%之內，達到了預期目標。

5 結語

本控制器采用多項嵌入式先進技術，具有使用簡單、技術成熟、開發相對容易和開發周期短的優點?？刂破骶哂腥藱C交互界面，易于及時發現并排除故障；同時，控制器通道多，可作為傳感器較多的工業生產場所或者樓宇自動化的核心控制器使用。系統測量精度高、運算速度快、控制效果好、運行穩定，符合設計預期，能夠滿足功能要求及操作環境要求，具有一定的工程應用價值。

參考文獻

[1]李國光，王文海.基于ARM7的暖通空調直接數字控制器設計[J].自動化儀表，2011，32（07）：11-17.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2011：210-285.

作者單位

青島理工大學 山東省青島市 266520