一種基于STM32的快遞包裹六面掃碼裝置

孫會澤，吳蓬勃，張金燕，王拓，南陪鈞，于逸龍，劉慧，劉濤

（1.石家莊郵電職業技術學院，河北石家莊，050021；2.河北工程技術學院，河北石家莊，050091）

0 引言

隨著電商與互聯網技術的飛速發展，快遞包裹的業務量激增，這對快遞分揀效率提出了更高要求[1～3]。交叉帶分揀機作為快遞分揀中心的核心裝備，對快遞業提質增效起著關鍵作用。

在交叉帶分揀機的供包環節，需要大量的人力完成包裹掃碼上車工作，人工成本高，供件效率低，與高速運轉的分揀機不相匹配。本裝置可以代替人工完成包裹掃碼工作，通過翻轉機構和旋轉臺，在2臺相機的配合下，完成包裹六面掃描，獲取包裹條碼信息，提高供件效率。與現有大型六面掃碼設備相比，本裝置具有更低的成本，而且更加適配分揀機供包的場景。

1 系統總體設計

系統架構如圖1所示。翻轉板A和B通過中間軸進行連接，分別由2臺電機控制。翻轉板A上面有一個360度旋轉臺。在翻轉板A和B的兩側分別有D1和D2兩個位置傳感器，檢測兩個翻轉板的位置。在垂直方向有一臺側面掃碼相機，可在旋轉臺的配合下，對包裹四個側面進行條碼掃描。在頂部有一臺正反面掃碼相機，可以在翻轉板A和B的配合下，完成包裹正反面的條碼掃描。兩側的傳輸帶分別完成包裹的送入和輸出，如果包裹六面都未掃到條碼，則通過撥桿裝置，送入人工核驗箱。

圖1 系統架構圖

2 硬件設計

系統硬件組成，如圖2所示。STM32通過兩路串口分別連接兩臺掃碼相機，通過中斷引腳連接兩個紅外感應位置傳感器A和B，通過GPIO控制撥桿動作，通過PWM接口連接步進電機驅動模塊，分別驅動翻轉電機A、B以及旋轉電機C；其掃描結果通過CAN總線傳送到中控計算機。

圖2 系統硬件組成

2.1 STM32最小系統

STM32最小系統（如圖3所示）以STM32F103RET6為核心，該芯片采用Cortex-M3內核，72MHz主頻，內置512K Flash和64K SRAM，配有4路通用16位定時器、兩路PWM定時器、5路USART和1路CAN控制器。

圖3 STM32最小系統

STM32F103RET6通過USART1和USART2連接兩路掃描相機；內部定時器通過GPIO口PB7、PA6和PB10輸出PWM脈沖，在使能引腳Mx_EN和方向控制引腳Mx_DIR的配合下，控制三路步進電機驅動電路，進而控制翻轉電機A、B和旋轉電機C的運動狀態。

2.2 步進電機驅動電路

步進電機驅動電路以TB67S109A為核心，如圖4所示。TB67S109A是具備PWM斬波器的雙極步進電機驅動器，可通過PWM控制步進電機運動，允 許 全 步、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32步運行，內置錯誤檢測電路、熱關斷、過流關斷和上電復位。

圖4 步進電機驅動電路[4～6]

為防止驅動電路對STM32的干擾，STM32的方向引腳DIR、使能引腳EN和步進脈沖引腳PWM分別通過光耦TLP521和6N137送入TB67S 109A。由于脈沖PWM信號為高頻信號，所以采用了10Mbit/s的高速光耦6N137。

TB67S109A的39、46、47引腳為細分引腳，用于設置步進電機的細分值，通過撥碼開 關SM1進 行 設 置；7、8、29、30引腳用于電流采樣，可以通過采樣電阻R11和R12和基準電壓Vref，設置峰值輸出電流值Iout，計算公式為：Iout=Vref/5/RS，其中RS為采用電阻；10、11、16、17、20、21、26、27引腳連接電機繞組A相和B相，向步進電機輸出電流，驅動電機運動。

圖5 為步進電機驅動電路的低功耗管理電路，74HC123D為單穩態觸發器，當2腳1B有脈沖信號時，觸發器輸出13腳1Q為高電平，電阻R35與R36并聯，然后與RP1分壓；當2腳1B沒有脈沖信號時，觸發器輸出13腳1Q為低電平，電阻R35與RP1并聯，然后與R36分壓，Vref電壓變低，從而降低TB67S109A峰值輸出電流Iout，進而實現在無脈沖信號輸入時，降低驅動電路功耗的目標。

圖5 低功耗管理電路

2.3 CAN總線通信電路

CAN總線通信電路如圖6所示，采用了NXP公司的第三代高速、低功耗CAN收發器TJA1042，傳輸速率可達1Mbit/s；在電流極低的待機模式，可以通過主機總線喚醒。在圖6中，TJA1042的1腳和4腳連接STM32的CAN接口；8腳STB為待機模式控制輸入，當STB接低電平時為正常模式，接高電平時進入待機模式；5腳VIO為IO電平適配器，允許與供電壓3～5V的MCU直接連接。

圖6 CAN總線通信電路

3 軟件設計

系統軟件流程如圖7所示。傳輸帶將包裹送入裝置后，位置傳感器會檢測到包裹，觸發STM32外部中斷，STM32控制頂部相機進行掃碼，如果檢測到條碼，則將掃描結果通過CAN總線傳輸到中控計算機，然后通過翻轉電機將包裹傾倒在輸出傳輸帶上，準備進入分揀環節。如果頂部相機未掃描到條碼，則STM32控制旋轉電機運動，開啟側面條碼掃描，如果檢測到條碼，則傳輸結果到中控計算機；如果包裹旋轉一周都未掃描到條碼，則STM32控制翻轉電機對包裹進行翻轉，頂部相機對包裹底面進行掃描。如果六個面都未掃描到條碼，則包裹送到輸出傳送帶后，STM32控制撥桿將包裹撥動到人工核驗箱，等待人工核驗。

圖7 軟件流程圖

驅動步進電機運轉，需要脈沖信號，通過脈沖頻率調整電機速度，通過脈沖數量控制步進電機旋轉角度。通過STM32輸出PWM脈沖，一般通過定時器中斷實現[7～8]，但這樣會占用大量的MCU資源，尤其是多路PWM脈沖的輸出。為實現三路步進電機的高效控制，本系統采用定時器TIM+DMA方式驅動步進電機。定時器通過GPIO口輸出頻率可調的PWM信號，控制步進電機運動速度；通過DMA設置輸出的脈沖數量，控制步進電機旋轉角度。下面以旋轉步進電機驅動為例，詳細講解STM32采用TIM+DMA方式輸出有限數量PWM波形的方法。

旋轉電機的PWM驅動GPIO為STM32的PB10口，通過GPIO重映射，可映射到定時器2的通道3，即：TIM2_CH3。定時器2初始化的步驟如下：

（1）開啟外設時鐘，包括：定時器TIM2，GPIOB，以及復用時鐘AFIO。由于PB10默認復用功能不是TIM2_CH3，所以需要進行GPIO重映射：GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap2_TIM2,ENABLE)。

（2）配置GPIO口模式：配置PB10為復用推挽模式GPIO_Mode_AF_PP，配置步進電機方向和使能引腳PB9和PB10為輸出推挽模式GPIO_Mode_Out_PP。

（3）配置定時器2基礎參數，包括：重裝載值、預分頻值、計數模式等。本系統設置分頻后的頻率為100kHz，計數值為100，即輸出PWM頻率為1kHz。

（4）配置定時器2輸出比較參數，包括：PWM輸出比較模式設置，占空比設置為50%，配置TIM2與DMA對應的通道，使能TIM2等。

定時器2通道3——TIM2_CH3對應DMA1的通道1。DMA的配置部分，主要負責建立內存數組send_buf到定時器2自動重裝載值TIM2-＞ARR的通道。通過設置send_buf數組中連續非零值元素的數量，可以控制輸出脈沖的個數，從而可以準確控制電機旋轉角度。圖8為STM32的PB10口輸出的PWM波形圖。

圖8 STM32輸出的PWM波形圖

4 總結

本文基于STM32設計了一款快遞包裹六面掃碼裝置。通過STM32控制三路步進電機，對包裹進行旋轉和翻轉，在頂部和側面掃碼相機的配合下，對快遞包裹的六面進行掃描，獲取條碼信息，通過CAN總線傳輸到中控計算機。從而代替人工完成快遞包裹條碼掃描，助力快遞分揀中心提速增效。