基于STM32的半導體激光器控制系統設計

但堂詠　張國慶　張紅亮

摘要：基于STM32與eView觸摸屏，設計了一款新型半導體激光器控制系統，并成功應用于基于半導體激光器的激光熔覆與淬火自動化設備之中，通過試用，該控制系統性能穩定可靠。詳細闡述了該控制系統的硬件電路與軟件系統的設計思路與總體方案，該控制系統以STM32F103ZET6為核心，基于Modbus通信協議，通過RS232串口連接，具有良好的可靠性及一定的防呆性，交互性強，具有自動報警與自診斷功能，控制響應速度快、控制精度高、較易擴展控制功能，能滿足整機系統集成的要求，可推廣應用于工業過程控制和智能自動化控制領域。

關鍵詞：STM32;人機交互;Modbus協議;半導體激光器;控制系統

中圖分類號：TN248.4 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0155—03

0引言

近年來，隨著激光技術的飛速發展與日漸成熟，其在許多領域得到了廣泛應用。相較于CO、YAG等傳統激光器，半導體激光器具有體積小、質量輕、效率高、能耗小和壽命長等優點，廣泛應用于材料加工與制造、無線激光通信、醫療與測量等領域中。

現階段，激光器的控制系統可謂種類繁多，既有傳統的開關控制，也有比較人性化的超級終端控制，還有一些PLC及單片機控制等，這些控制系統各有優缺點。傳統開關控制較易出錯，系統可靠性較差，交互性也不足;超級終端與PLC控制成本較高，靈活性不足，不易實現整機系統集成;較多的單片機控制還沒有正真應用，多處于仿真與實驗階段等。針對當前半導體控制系統的種種不足，本文基于STM32與eView觸摸屏，實現了對半導體激光器控制系統的設計與應用，較好地解決了這些問題，成功應用于工程實踐之中。

1激光器控制系統總體方案

1.1半導體激光器控制系統基本要求

半導體激光器控制系統基本要求如下。

（1）控制系統的工作界面友好、簡單，普通工作人員都可以操作。

（2）具有防呆性，防止誤操作。

（3）控制性能可靠、穩定，抗干擾能力強，控制精度高，控制響應速度快。

（4）能滿足系統集成的需求，實現激光器在整體應用中的集成和控制。

（5）能實時顯示通信狀態，具有自動報警與自診斷功能。

1.2核心控制器選擇

本系統采用STM32F103ZET6作為核心控制器，其基于ARM Cortex-M3內核，具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用特點，內核最高工作頻率可達72 MHz，內部資源包括64 kh SRAM、512 kb FLASH、8個定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個IC、5個串口、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用10口，LQFP144封裝等。

1.3系統總體方案確定

基于半導體激光器在激光熔覆與激光淬火行業中的應用，本文設計了集成半導體激光器控制系統的激光熔覆與激光淬火自動化設備并成功投入實際應用，經生產實踐驗證，該控制系統性能穩定，能夠滿足工業生產的需求，其總體控制方案如圖1所示。該自動化設備工作時，觸摸屏為系統提供正常工作所需的加工工藝及參數，同時實時監測并顯示系統的運行狀態，當系統運行發生故障時則產生報警。操作控制器則根據觸摸屏提供的工藝參數統籌協調半導體激光器、冷水機組、機器人控制系統及送粉器，按照其各自設定的參數協調工作。

2激光器控制系統具體設計

2.1系統硬件電路

硬件電路如圖2所示，主要包括以STM32F103ZET6為核心的操作控制器、步科MT4300C觸摸屏、半導體激光發生器控制系統、冷水機組控制系統、送粉器控制系統以及以SP3232為核心的TTL電平與RS232電平雙向轉換電路。半導體激光發生器與MT4300C分別通過RS232串口與微控制器（STM32F103ZET6）的串口1、2相連，機器人控制系統、冷水機組控制系統、送粉器控制系統的啟、停分別由3個繼電器控制，繼電器則由STM32F103ZET6的3個I/O口分別控制。

2.2系統軟件

2.2.1 Modbus通信協議選擇

作為人機界面（HMI）與單片機控制系統（MCU）之間實現主從通信模式的主要選擇之一，Modbus協議得到了廣泛的應用，MT4300C支持Modbus協議。Modbus協議支持ASCII和RTU 2種傳輸方式。相對于ASCII模式，RTU模式具有更高的通信效率。在RTU模式下，當將HMI作為主設備，MCU作為從設備時，適合應用于1個主機與多個從機通信，采用Modbus RTU協議通信;當將MCU作為主設備，HMI作為從設備時，適合應用于1個主機與1個從機通信，采用Modbus RTU Slave協議通信。當采用Modbus RTU Slave協議時，MCU作為主設備，可以主動發起通信，相較采用Modbus RTU協議，CPU占用率低，極大地節約了硬件資源。同時在MCU中，不需編寫復雜的中斷服務函數，只需編寫簡單的通信讀，寫程序即可，實現起來更容易，本文采用Modbus RTUSlave協議進行通信。表1所示為常用Modbus支持的部分功能碼，也是本控制軟件系統中用到的功能碼，表2—3所示為Modbus RTU Slave協議的消息幀格式。

2.2.2軟件設計

軟件設計包含主控系統（主站）程序設計、人機界面（從站）程序設計。

（1）主控系統程序

基于STM32庫函數，利用STM32常用的開發工具Keil MDK進行主控系統設計。主控系統服務程序由各功能模塊組成，主要包括串口初始化模塊、數據幀的構造模塊、數據幀發送模塊、數據幀接收模塊、CRC校驗模塊、應答幀解析等功能模塊。主控系統程序工作流程如下：當主控系統程序啟動后，首先構造主站（STM32F103ZET6）查詢、從站（觸摸屏）應答、激光器控制及激光器應答數據幀，初始化串口并打開，主站（STM32F103ZET6）向從站（觸摸屏）發出通信請求，讀取觸摸屏當前設定的加工工藝及相關參數，解析應答幀，讀取加工工藝及參數，依據加工工藝及參數，控制冷水機組、半導體激光器、機器人及送粉器按照加工工藝要求協同工作，同時將半導體激光器的反饋參數送觸摸屏實時顯示，實現半導體激光器自動報警與自診斷功能，主控系統程序流程如圖3所示。

數據幀的構造、發送、解析必須嚴格按照Modbus RTU Slave協議進行，才能夠完成正常的通信。數據是否按照要求接收完畢，需要檢查，如數據接收不完整，則需要重新接收;接收的數據是否正確，需要進行CRC校驗，如果該數據不能通過CRC校驗，則舍棄重新接收，如果通過校驗，才能進行應答幀解析，保證了數據通信的可靠性。

（2）人機界面程序

利用上海某公司的Kinco HMIware組態編輯軟件，可以方便進行人機界面程序設計并寫入MT4300C中。該軟件界面友好，采用圖形化編程，操作簡單易上手，為用戶提供了一個強大的集成開發環境。人機界面服務程序的組成主要包括如下幾大部分：①權限與密碼保護，包括觸摸屏使用授權、用戶權限管理、項目密碼保護等功能模塊;②加工工藝及參數的設定，包括加工工藝選擇（激光修復與激光熱處理）、開關冷水機組、開關激光器及功率設定、開關機器人、開關送粉器等功能模塊組成;③加工狀態及故障報警顯示模塊。人機界面程序設計流程如圖4所示。

在正式選擇加工工藝之前，需要按照機器人控制系統中編制完成的程序使機器人試運行，只有機器人運行軌跡符合設定的加工要求才能進行正式的加工，此部分功能單獨手動啟動。在進行激光熔覆加工時，只有送粉器能正常運行并且送粉速率符合要求時，才能啟動冷水機組與激光器，送粉速率不符合要求，需單獨調節送粉器。同時，開啟激光器的前提條件是必須先開啟冷水機組，只有在關閉激光器30 s后，才能關閉冷水機組，以防由于溫度過高，燒壞激光器。此部分可通過Kinco HMIware組態編輯軟件中的宏代碼編程實現，作業員在操作時，具有防呆功能，以免誤操作而燒壞激光器。

2.2.3系統通信參數設定

基于Modbus RTU Slave協議的串口數據傳輸模式，為保障主站與從站之間的成功通信，在同一網絡上的所有設備必須設置相同的傳輸模式及通信參數，本設計中，共用到了觸摸屏與STM32F103ZET6串口2、激光器與STM32F103ZET6串口1二對串口通信，相關參數設置如表4所示。

3性能測試與分析

實驗以國內某半導體激光器為實驗對象，以STM32F103ZET6為核心的MCU控制系統作為主站控制器，步科MT4300C及半導體激光控制器作為從站，采用RS232串口通信模式，當激光器接收到MCU發出的指令時，執行對應功能，部分指令如表5所示。

模擬時，將電腦端當作激光器，采用串口調試助手進行程序調試，調試結果如圖5～6所示。經過模擬測試表明，觸摸屏能夠較好地滿足人機界面的設計要求，并且能夠在人機界面、MCU主控系統與半導體激光器三者之間建立穩定、可靠的通信，具有一定的防呆功能，如操作開關冷水機與開關激光時，存在需先開冷水機，后開激光，關時次序則需相反，否則不能執行相關操作。其具有自動報警和自診斷功能。該系統能滿足該激光淬火與激光熔覆設備集成控制系統的要求。

與超級終端控制相比，該控制系統具有明顯價格優勢，而且體積更小，便于設備小型化。與PLC控制相比，該控制系統不僅具有成本優勢，同時主控制器STM32F103ZET6具有112個通用10接口，可擴展性遠遠超過現行采用的PLC。與傳統開關控制相比，可使設備較好地集成，極大地解決了設備布線的凌亂，增強了人機交互、自動報警與自診斷功能。與傳統單片機控制相比，成本基本相差無幾，但由于主控制器STM32F103ZET6工作頻率最高可達72 MHz，遠大于傳統的8位或16位單片機，決定了該控制器響應速度遠快于傳統的單片機控制，控制精度也有所提升。

4結束語

本文基于STM32與eView觸摸屏，實現了對半導體激光器控制系統的重新設計與實現，與傳統的控制方式相比，具有明顯優點。其操作界面更加簡單友好，電路連接簡單，易于實現;經測試，通信性能可靠、穩定，響應速度更快;具有防呆性與自診斷新功能，避免了誤操作的可能性，同時可快速查找故障;可擴展性強，便于系統集成。目前，該套控制系統已應用于廣州某公司激光熔覆與熱處理設備之中，運行穩定可靠，性價比高，正接受實際工業生產的考驗。