基于SI4463的車床安全保護(hù)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了解決針對普通車床缺乏安全保護(hù)裝置，在車削加工中易出現(xiàn)安全事故的問題，本文對機(jī)床的安全保護(hù)缺陷進(jìn)行了研究，提出了采用基于SI4463芯片的無線通信技術(shù)和雙MCU控制方法，設(shè)計并實現(xiàn)了安全保護(hù)控制器。該控制器通過安裝在車床相關(guān)位置的檢測元件測得的狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制車床主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，避免發(fā)生事故。車床安全保護(hù)控制器可以單機(jī)脫機(jī)工作，可以通過應(yīng)用無線通信技術(shù)與上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作，也可以實現(xiàn)多臺車床的遠(yuǎn)程集群控制。

引言

　　普通車床缺乏安全保護(hù)裝置，但工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在使用過程中，特別是在車削加工教學(xué)實訓(xùn)中，由于初學(xué)者的疏忽，很容易出現(xiàn)安全事故，帶來財產(chǎn)和人身損害。為此，我們針對實際問題，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普通車床多功能安全保護(hù)集成控制裝置。該裝置實現(xiàn)了對普通車床機(jī)群(多臺車床)工作狀態(tài)顯示、集中控制和單臺車床安全工作保護(hù)。該裝置可實現(xiàn)4種保護(hù)：(1)卡盤扳手未取出安全故障保護(hù);(2)刀架與卡盤相撞安全保護(hù);(3)溜板箱與尾座相撞安全保護(hù);(4)螺紋加工與光軸加工的互鎖功能保護(hù)。該裝置的設(shè)計按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的三個層次進(jìn)行^[1]：(1)感知層，本系統(tǒng)采用行程開關(guān)和磁性開關(guān)對每臺車床的扳手的位置、縱向行程情況、絲桿狀態(tài)和主螺母狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測到的信息送到每臺控制器，控制器對主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)發(fā)出命令，控制器與上位機(jī)通過短距離無線通信進(jìn)行信息交換，并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的控制命令;(2)網(wǎng)絡(luò)層，利用互聯(lián)網(wǎng)和3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)，計算機(jī)客戶端和手機(jī)客戶端對本裝置進(jìn)行訪問和操作;(3)應(yīng)用層，采用專門開發(fā)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)訪問、狀態(tài)查看、現(xiàn)場控制等功能。

　　本文在此對其中的安全保護(hù)控制器部分設(shè)計和實現(xiàn)情況進(jìn)行介紹。

1 整體設(shè)計

　　本控制器采用了兩片MCU(微控制單元)芯片，由主控模塊、無線串口模塊、液晶顯示、LED指示、矩陣鍵盤、光電隔離等部分構(gòu)成，如圖1所示。

　　該普通車床多功能安全保護(hù)集成控制裝置系統(tǒng)使用PC機(jī)作上位機(jī)，上位機(jī)通過串行總線USB(Universal Serial Bus)接口經(jīng)USB接口芯片和無線串口模塊連接，與安裝在每臺車床的控制器通信，實現(xiàn)將車床相應(yīng)位置檢測的元件輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為電平信號送到主控MCU1，主控MCU1根據(jù)檢測信號送出相應(yīng)的電平信號，經(jīng)光電隔離模塊控制繼電器，從而允許車床主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)啟動或停止。同時，主控MCU1控制LCD液晶顯示模塊顯示出相應(yīng)的狀態(tài)信息，并且控制LED發(fā)光二極管作狀態(tài)指示。主控MCU1也可根據(jù)上位機(jī)的命令輸出主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)的控制信號，主控MCU1通過無線串口模塊與上位機(jī)實現(xiàn)短距離無線通信。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

　　主控MCU1選用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)MCU，該芯片F(xiàn)LASH內(nèi)存可實現(xiàn)ISP/ISA系統(tǒng)可編程/在線應(yīng)用可編程。STC12C5A60S2主要性能^[2]：

　　(1)高速：1個時鐘/機(jī)器周期，速度比普通MCS-51單片機(jī)快8~12倍;

　　(2)寬電壓范圍：3.3V~5.5V，2.2V~3.6V;

　　(3)低功耗設(shè)計：掉電模式(可由外部中斷喚醒)可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒;

　　(4)增加外部掉電檢測電路，可在掉電時及時將數(shù)據(jù)保存在EPROM;

　　(5)工作頻率：0MHz~35MHz，相當(dāng)于普通MCS-51單片機(jī)的0MHz~420MHz;

　　(6)每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA。

　　鑒于STC12C5A60S2的這些特點，所以選擇該芯片與時鐘電路、復(fù)位電路等一起構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊。

2.2 無線串口模塊

2.2.1 無線串口模塊構(gòu)成

　　無線串口模塊主要由MCU2和射頻收發(fā)芯片組成。MCU2選用意法半導(dǎo)體公司的STM8L152C6T6低功耗微處理器，該芯片自帶SPI、UART和多個定時器，具有多種電源管理模式且待機(jī)功耗低的特點^[3]。射頻收發(fā)芯片采用SI4463，該芯片工作頻段為119MHz~1050MHz，最高輸出功率可達(dá)+20dB，傳輸距離可達(dá)2km。SI4463芯片能超低功耗工作，在功率為+10dB時，發(fā)射電流為18.0mA，接收電流為10.0mA^[4]。SI4463芯片可應(yīng)用在智能計量、遙控、家庭安全、報警、遙測、工業(yè)控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面。SI4463電路設(shè)計簡單且成本低。STM8L單片機(jī)與SI4463射頻芯片接口電路如圖2和圖3所示。

　　SI4463射頻芯片與STM8L單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)4線串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行通信：SCLK(時鐘)——SPI_SCK，SDI(數(shù)據(jù)輸入)——SPI_MOSI，SDO(數(shù)據(jù)輸出)——SPI_MISO，CS(片選)——SPI_CSN。

　　需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)由MCU2控制SI4463進(jìn)行射頻發(fā)送和接收。為了在數(shù)據(jù)射頻傳輸過程中抗干擾，將無線串口模塊加了金屬外殼進(jìn)行屏蔽，并且采用了SMA接口的單鞭棒狀天線增強(qiáng)傳輸性能。

2.2.2 接口電路

　　無線串口模塊的MCU2和主控模塊的MCU1通過UART(通用異步串行口)接口進(jìn)行串行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

　　安裝于上位機(jī)的無線串口模塊增加了CP2102芯片及外圍電路，使無線模塊和上位機(jī)通過CP2102芯片進(jìn)行USB-UART的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)連接。CP2102芯片內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號，無需任何外部的USB器件。

2.3 電源電路

　　在車床使用現(xiàn)場能方便獲得220V交流電，將該電信號經(jīng)變壓、整流和濾波后，經(jīng)三端集成穩(wěn)壓電源芯片7812和7805獲得直流12V和5V電壓給繼電器和車床安全保護(hù)控制器等電路供電。

　　在無線串口模塊中，使用了74LVC245芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V給STM8L單片機(jī)和SI4463芯片供電，并實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.4 其他電路

　　本控制器通過矩陣鍵盤可以輸入密碼，賦予操作者相應(yīng)的權(quán)限。本控制器使用12864液晶顯示器來顯示扳手位置、縱向行程位置等信息，同時用LED發(fā)光二極管來直觀地指示扳手位置、縱向行程位置等是否正常。液晶顯示器和LED發(fā)光二極管與主控MCU1單片機(jī)的接口為常規(guī)并行接口。矩陣鍵盤也通過單片機(jī)的并行口連接，并且將行線經(jīng)與門后接到單片機(jī)的外部中斷0。

　　經(jīng)主控MCU1輸出的電機(jī)控制信號經(jīng)光電隔離電路和繼電器控制主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)的工作，電機(jī)控制電路如圖4所示。其中CTL_MT1端連接主控MCU1單片機(jī)的IO口，TLP521是可控制的光電耦合器件，作用是在電路信號傳輸過程中使控制器前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性、減小電路干擾和減化電路設(shè)計。主控MCU1輸出的高低電平對應(yīng)繼電器線圈的得電和失電，MT11和MT12串聯(lián)接入電機(jī)的電源回路，從而控制電機(jī)電源電路的通斷。

3 軟件設(shè)計

　　普通車床多功能安全保護(hù)集成控制裝置在工作時，上位機(jī)與多個車床安全保護(hù)控制器的通信為主從模式，每個車床安全保護(hù)控制器有一個唯一的地址編號，控制器不停地發(fā)送采集到的車床各處關(guān)鍵位置點的狀態(tài)數(shù)據(jù)，上位機(jī)按控制器的地址編號輪流向各個控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，以向控制器發(fā)送控制命令和讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)?？刂破饔新?lián)機(jī)和脫機(jī)兩種工作模式，可由上位機(jī)控制，也可以在通過密碼驗證操作者身份后，允許其通過鍵盤設(shè)置工作模式。上位機(jī)和控制器傳輸數(shù)據(jù)的定義見表1、表2和表3。

　　車床安全保護(hù)控制器軟件設(shè)計分為主控模塊程序和無線串口模塊程序兩大部分。

3.1 主控模塊程序設(shè)計

　　主控模塊程序主要包括主控MCU1初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)、矩陣鍵盤掃描、液晶顯示控制、電機(jī)控制等功能部分，其主函數(shù)流程圖如圖5所示。

　　在主控模塊中使用了串行口中斷服務(wù)函數(shù)，用來讀入上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的標(biāo)志位置1。還編寫了外部中斷0的中斷服務(wù)函數(shù)，矩陣鍵盤任意按鍵被按下時，進(jìn)入外部中斷0，判斷鍵值，并將相應(yīng)的標(biāo)志位置1。

3.2 無線串口模塊程序設(shè)計

　　無線串口模塊程序設(shè)計主要包括STM8L單片機(jī)初始化、SI4463芯片初始化、STM8L單片機(jī)與主控MCU1通信、STM8L單片機(jī)與SI4463芯片的數(shù)據(jù)傳輸以及STM8L控制SI4463芯片實現(xiàn)與上位機(jī)的射頻通信。

4 結(jié)論

　　本車床安全保護(hù)控制器經(jīng)實際測試，能實現(xiàn)對單臺車床的安全保護(hù)和狀態(tài)顯示，并且能與上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作，實現(xiàn)多臺車床的遠(yuǎn)程集群控制。經(jīng)測試，本車床安全保護(hù)控制器所屬的普通車床安全集成控制系統(tǒng)可對1000m2~1500m2范圍內(nèi)的30臺~40臺車床群組實現(xiàn)有效的集中管理，其安全保護(hù)功能可靠、靈活，在各級學(xué)校的實習(xí)工廠和大型制造企業(yè)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第69頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。