一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器設(shè)計

摘要：以用于顯微注射的顯微實驗操作系統(tǒng)為平臺，設(shè)計了一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器。控制器是實驗平臺的人機(jī)接口，替代了平臺已有的有線控制器，在原設(shè)備基礎(chǔ)上增加了無線通訊功能和平臺工作狀態(tài)及參數(shù)實時顯示功能，彌補了原設(shè)備連線復(fù)雜、無數(shù)據(jù)顯示功能等諸多不足。針對系統(tǒng)需求，完成了無線手持控制器的軟硬件設(shè)計。測試結(jié)果表明：無線手持控制器具有功耗低，無線通訊可靠穩(wěn)定，用戶界面友好簡潔的特點，提高了顯微實驗的效率和質(zhì)量，具有較高的實用價值。

顯微注射技術(shù)是現(xiàn)代生物工程重要的技術(shù)手段之一，廣泛應(yīng)用在轉(zhuǎn)基因、試管嬰兒和克隆等細(xì)胞工程領(lǐng)域。顯微實驗操作系統(tǒng)是一套完整的用于顯微注射實驗的自動化裝置，它將自動控制、微電子、嵌入式、無線通訊等技術(shù)運用到顯微注射實驗中，通過手持控制器和機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了顯微注射實驗的數(shù)字化和智能化，相比于傳統(tǒng)人工操作，極大的提高了科研工作者的工作效率和工作質(zhì)量。

手持控制器是顯微實驗系統(tǒng)的人機(jī)接口，用戶通過手持控制器將命令發(fā)送至機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動系統(tǒng)控制三軸機(jī)械手實現(xiàn)對細(xì)胞探針的操作。原實驗系統(tǒng)中的手持控制器采用RS485與驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)通信，使用時需要操作人員連接供電線纜及通訊線纜，過多的連線不僅使得手持控制器喪失了其使用的便攜性，并且接插件容易松脫為系統(tǒng)增加不可靠隱患。本文設(shè)計了一種采用鋰電池電池供電的無線手持控制器，彌補了上述不足，除此之外還增加了LCD顯示功能，實現(xiàn)了機(jī)械手工作參數(shù)和狀態(tài)的實時監(jiān)控，進(jìn)一步提高了顯微實驗的自動化程度。

1 無線手持控制器需求分析

采用無線手持控制器的顯微實驗操作系統(tǒng)框圖如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)框圖需求可將無線手持控制器功能分為人機(jī)接口、板間通訊、鋰電池管理3部分。

1.1 人機(jī)接口

原始的有線控制器不具備參數(shù)顯示功能，機(jī)械手工作參數(shù)和狀態(tài)無法獲取，特別是XYZ坐標(biāo)只能通過顯微鏡大致判斷，使用時十分不便。通過增加LCD顯示功能彌補了上述不

足，使得手持控制器成為功能完整的人接機(jī)口。用戶可通過按鍵(確定、取消、移動等)實現(xiàn)參數(shù)查詢與設(shè)置、界面切換等操作。

控制器通過三路光電編碼器實現(xiàn)對機(jī)械手XYZ三軸運動的控制，用戶轉(zhuǎn)動編碼器的方向和速度決定了機(jī)械手在相應(yīng)坐標(biāo)軸上運動的速度和方向。

1.2 板間通訊

控制器通過無線方式和驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)通訊。通訊應(yīng)當(dāng)可靠，丟包、誤碼、重傳都會導(dǎo)致用戶命令不能及時傳送至驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械手因此無法及時響應(yīng)，從而顯微實驗所需的高分辨率就難以保證，嚴(yán)重時還會破壞細(xì)胞甚至損壞機(jī)械手。另外控制器還保留了RS485有線通訊接口備用。正常使用時，有線和無線通訊距離均不超過2 m，使用環(huán)境無強(qiáng)電磁干擾。

1.3 鋰電池管理

無線手持控制器采用3.7 V/2200 mAh鋰電池供電，相比于傳統(tǒng)的鎳鎘電池、鎳氨電池、鉛酸電池，鋰電池具有相同容量下體積小、質(zhì)量輕;無重金屬元素，對環(huán)境污染小等優(yōu)勢，但是鋰電池對過充電和過放電十分敏感，過充和過放都會對電池造成不可逆的損壞，降低電池壽命，因此需要對鋰電池進(jìn)行合理的管理和保護(hù)。

2 無線手持控制器硬件設(shè)計

根據(jù)無線手持控制器的功能需求，設(shè)計出手持控制器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。下面對系統(tǒng)中各重要模塊進(jìn)行說明。

2.1 MCU模塊

MCU選用STM32F103RCT6，該芯片是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用所設(shè)計的，其主要參數(shù)如表1所示。該芯片處理速度快，并集成了多種功能豐富的外設(shè)資源，極大的簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，如系統(tǒng)中使用到的通訊接口如：IIC、SPI、USART以及用于電池電壓檢測的ADC都集成在MCU中，省去了外接相應(yīng)功能的芯片。另外光電編碼器輸出的AB正交脈沖可直接接入MCU，內(nèi)部的定時器可實現(xiàn)判向、可逆計數(shù)、抖動濾波等功能，避免了較為復(fù)雜的正交編碼器的接口電路。簡潔的硬件設(shè)計，降低了成本，提高了可靠性。

2.2 無線通信模塊

無線收發(fā)芯片選擇瑞典NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24L01。該芯片工作于2.4～2.5 GHz頻段，該頻段是全球開放的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，使用者無需申請許可證，給開發(fā)者帶來了很大方便。該芯片內(nèi)集成了增強(qiáng)型“ShockBurst”模式控制器、頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器，MCU通過SPI接口可以對芯片進(jìn)行靈活的配置。

相比于藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等其他短距離無線通信方式，nRF24L01具有功耗低、開發(fā)簡單、成本低等優(yōu)勢，特別是在低功耗方面十分適合本控制器的需求，發(fā)射功率為0dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式下電流消耗為12.3 mA，待機(jī)模式下電流消耗為22μA，無論是收發(fā)模式還是待機(jī)模式，電流消耗都遠(yuǎn)低于上述其余無線通信方式。無線通信模塊電路原理圖如圖3所示。

2.3 鋰電池管理

BQ2057C是美國TI公司生產(chǎn)的先進(jìn)鋰電池充電管理芯片，該芯片集成了電壓電流調(diào)節(jié)器、電池溫度監(jiān)測、充電狀態(tài)指示等多種功能，外圍電路簡潔，十分適合本系統(tǒng)的應(yīng)用需求，電路如圖4所示。

3 無線手持控制器軟件設(shè)計

手持控制器的軟件開發(fā)采用C語言Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，它集編碼、編譯、仿真、下載、調(diào)試功能于一體，極大提高了軟件開發(fā)效率。

根據(jù)控制器的功能將軟件劃分為如下六任務(wù)：系統(tǒng)初始化、電源管理、指令處理、nRF24L01收發(fā)、LCD顯示、鍵盤掃描，如圖5所示。