STM32無線電子手輪設計

臺州職業技術學院機電工程學院 蔣開偉

電子手輪又稱為“手搖脈沖發生器”，在數控機床中的應用十分廣泛，如刀具微調、對刀等。傳統的有線電子手輪雖然具有較好的穩定性，但受制于有線操作使用不便，且接線處容易損壞。而目前市場上的無線電子手輪價格普遍較高，性價比較低；功耗相對依然較高，導致電池耐用性不夠；此外在機加工嘈雜的現場，無線通信穩定性也較差，極易受其他信號干擾。本設計選用性價比較高且超低功耗的控制器芯片，以及穩定性較好的無線通信芯片，克服當前市場上的同類產品的不足之處，進一步提升該類產品的性能。

1 總體設計

本設計由手持式的無線手輪發送終端和無線接收終端組成，采用433M的無線通信方式實現無線信號的交互。手輪發送終端的微控制器將手搖輪產生的差分脈沖信號和按鈕控制信號轉換成相應的指令，通過無線模塊發送至無線接收終端；接收終端在接收信號后，通過微控制器將指令還原成相應的差分脈沖信號和控制信號，并驅動數控機床設備，實現手搖脈沖發生器的無線控制功能。

手輪要求具有六種軸選信號、三種倍率信號輸出功能，編碼器刻度為100PPR，脈沖信號為5V；手持端工作電壓為2.2～3.3V，平均工作電流小于10mA。

2 硬件設計

2.1 控制器

手持終端的控制器基于功耗和成本的考慮采用意法半導體（ST）公司的STM32L051單片機，該系列單片機以超低功耗見長，供電電壓低且范圍寬（1.64V至3.6V），具有停止（stop）、待機（standby）等多種低功耗模式，耗電電流在待機模式下可以低至0.27uA。除此之外，豐富的外設和強大的功能完全滿足設計要求。接收終端的主控芯片則采用該公司的STM32F103系列芯片。同樣具備豐富的外設資源和強大的運算性能。此外，控制器與無線模塊之間需要使用SPI接口實現通訊，因此，具備SPI接口是控制器選用的另一個重要考量因素。

2.2 無線通信電路

無線通信電路設計基于億佰特公司的型號為E10-433MS模塊，該模塊以美國芯科Si4463芯片為核心，具有體積小、通信距離遠等優點。理想條件下，通信距離可達2km；發射功率軟件多級可調，最大發射功率100mW；支持全球免許可ISM433MHz頻段；支持1.2K至1000Kb/s的數據傳輸速率；支持多種調制模式，以及2.5V至3.6V的寬供電電壓。如圖1所示。

SI4463芯片與控制器之間的通訊通過SPI接口完成，其中控制器設置為主模式，無線模塊設置成從模式。接口MISO用于數據輸入至控制器，而MOSI接口則用于數據傳輸至無線模塊，上述數據傳輸涉及到的時鐘信號則由SCK接口完成。接口nIRQ用于指示控制器已接收到無線信號或信號發送完畢，GPIO0和GPIO1為配置接口。此外，控制器還需要控制無線模塊中的其他接口（如SDN和nSEL），用于實現低功耗目的。

值得一提的是，無線信號發送時需要相對較大的電流，會引起較大的電源電壓波動，因此設計時在無線模塊電源處加上磁珠。

2.3 差分信號采集電路

差分信號采集電路由兩路光電轉換電路組成，輸出的信號稱之為A相和B相，存在一定的相位差。具體而言，轉動手輪能夠使得光電編碼器在A相和B相上產生差分脈沖信號，每轉動一個刻度產生一個脈沖。不僅如此，通過A相和B相的相位差可以判斷轉動方向。當A相超前90°是表示正轉；反之，B相超前表示反轉。

為了降低功耗，額外引入一個端口用于控制光電轉換電源，當該端口為高電平時，光電編碼器能正常工作，否則處在節能狀態。

2.4 脈沖信號發生電路

當無線接收終端接收端差分信號指令后，需要將其還原成差分的脈沖信號。脈沖信號發生電路的輸入端有兩路，分別對應A相和B相；輸出端有四路，為A+、A-和B+、B-。輸入端通過光耦器件將3.3V轉換為5V，輸入至四通道差分線路驅動器DS26C31芯片，產生四路輸出信號。相應的相位差取決于輸入端。產生的脈沖信號可以直接接至數控機床信號端，實現電機的驅動。

圖1 無線通信電路

3 軟件設計

3.1 無線手輪發送終端

無線手輪發送終端的軟件設計除了實現差分信號和按鍵信號的檢測和發送功能外，還嚴格考慮了功耗問題。

具體處理流程如下：

（1）初始化：上電復位后，完成對無線通信模塊的初始化并進入待機模式。

（2）按鈕檢測與響應：系統每隔20ms退出待機模式并檢測按鍵是否有動作，如果有則將相應的動作轉換成指令；如無，則再次進入待機模式。

（3）手輪檢測與響應：手輪檢測通過外部中斷的方式實現檢測和累計。具體而言，當A相轉過一個刻度時會產生低電平并引發中斷，終端服務程序累計脈沖數的同時還去判斷B相的電平；若B相位同樣處在低電平，認為B相超前，即反轉，否則認為A相超前，即正轉。

（4）按鈕信號發送和確認：當按鍵完成檢測和響應后，控制器通過SPI向無線模塊發送數據，并等待最長為0.5s的確認信息，若確認失敗會重發，重發最多三次。

（5）手輪信號發送：為防止手輪脈沖信號發送時出現擁塞，系統每隔200ms發送一次在此期間累計的脈沖數和轉動方向信號。從體驗上考慮，手輪信號的發送不做任何確認，允許部分數據丟失。

3.2 無線接收終端

接收終端由數控機床供電，因此沒有功耗要求，在完成系統初始化后就不斷查詢無線模塊是否有接收到信號。若有，響應相應的指令并處理。

（1）接收和響應：在接收來自手輪發送的信息并完成校驗后，首先判斷指令類型；如果該指令需要確認，則立刻將給信息重發送回去作為確認信號。隨后將指令轉換成控制信息，以便步驟（2）或（3）處理。

（2）按鍵信號處理：按鍵信號包括6種軸選信號、3種倍選信號以及緊急按鈕信號，接收到后只需控制相應的繼電器動作即可。

（3）脈沖發生：根據接收到脈沖個數和方向，通過定時器產生波形，脈沖的周期為10ms，占空比為50%。

4 頻點和ID配置

發送終端和接收終端完成正確的通信需要配置在相同的頻點上，為了讓不同設備共用相同頻點，我們為不同的設備配置了不同的ID以作區別。嚴格來說設備只有在相同的頻點和ID的才能通信。

上述的配置可以通過修改軟件完成，但考慮到批量生產上的便利性，系統設計了通過串口配置上述參數的功能。通過串口通訊上位機軟件，既可以讀取當前的配置參數也可以實現修改該參數，為生產和用戶操作帶來極大的方便。

結束語：本文提出了一種基于Si4463的無線電子手輪設計，有效解決當前無線電子手輪存在的低功耗和穩定性問題；選用的STM32單片機進一步解決性價比問題，而上位機配置頻點和ID的設計極大地方便產品的生產和用戶的使用。