馬明濤（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,吉林 吉林 132101）

動(dòng)物瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)顯示與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬明濤
（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,吉林 吉林 132101）

本設(shè)計(jì)是以STM32F103主控板為核心，充分利用其I/O引腳，并通過與操作系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)之間的實(shí)時(shí)性的調(diào)度，使每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的保證，并把該信息顯示到TFTLCD顯示屏上并且通過觸摸屏進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常好的動(dòng)物體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，同時(shí)其它引腳控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能。STM32的高速處理速度以及超低功耗，給動(dòng)物體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的電機(jī)控制帶來了很大的改進(jìn)。

嵌入式；電機(jī)；STM32；TFT

0 引言

人工瘤胃設(shè)備是動(dòng)物醫(yī)學(xué)反芻學(xué)研究的高精尖設(shè)備。目前比較先進(jìn)的是吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)的瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，但是設(shè)備使用PLC控制器作為電控的主控單元，無論是在成本上、設(shè)備所占用面積、以及操作的人機(jī)交互界面上都不符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)精密儀器的要求的需要。本文在現(xiàn)有瘤胃體外連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，主控器采用目前較先進(jìn)的嵌入式處理器。對(duì)動(dòng)物體外連續(xù)培養(yǎng)電控系統(tǒng)，主要的研究?jī)?nèi)容有：控制大型步進(jìn)電機(jī)，采集甲烷、氨氣、二氧化碳的濃度參數(shù)。利用現(xiàn)有的性價(jià)比較高的STM32F103處理器作為主控制器，用μC/ OS-II作為操作系統(tǒng)，用320*240 TFT作為人機(jī)交互界面。 原理圖見框架圖1。

圖1 框架系統(tǒng)

1 STM32F103微處理器

系統(tǒng)架構(gòu)微處理器STM32F103是意法半導(dǎo)體公司推出的高性能32 Cortex-M3的，作為工業(yè)控制的核心處理器。通過多層AΗB內(nèi)部總線架構(gòu)的處理器連接，內(nèi)部整合集成豐富的外設(shè)：USART，bxCAN，SPI，ADC等。微處理器是一個(gè)100引腳，該芯片集成了128 KB閃存，高達(dá)64 KB的SRAM。一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器（內(nèi)部看門狗定時(shí)器）主要用于制作嵌入式操作系統(tǒng)移植。有了這個(gè)定時(shí)器，你可以很容易地實(shí)現(xiàn)所需的便攜式操作系統(tǒng)時(shí)鐘中斷。此計(jì)時(shí)器的實(shí)施，極大地方便了μC/ OS-II系統(tǒng)在處理器上移植[1]。

2 顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面需要輕型，占地面積小，高性能，高可靠性，便攜性，可配置等特點(diǎn)。 μC/ GUI是這樣專為嵌入式圖形用戶界面軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序。 μC/ GUI內(nèi)核是非常小的，含有一個(gè)窗口，并控制整個(gè)μC/ GUI。系統(tǒng)的管理只需要30～60K的ROM中的，2～6K的RAM（基于窗口的數(shù)量），和1. 2K堆?？臻g可以流暢運(yùn)行。μC/ GUI是完全用ANSI2C編譯的，所以它是與處理器無關(guān)的，它可以很容易地移植到不同的操作系統(tǒng)和嵌入式微處理器，并支持任何規(guī)模大小圖形液晶顯示器。它在任何使用獨(dú)立的處理器和LCD控制器之外的有效的圖形用戶界面的接口，并支持單色，灰度和彩色顯示。它的2D圖形庫和窗口管理功能，可以讓我們輕松實(shí)現(xiàn)類似于嵌入式系統(tǒng)Windows圖形界面。

TFT-LCD它是一個(gè)薄膜晶體管液晶顯示裝置。TFT-LCD和無源的TN-LCD，STN-LCD的簡(jiǎn)單矩陣不同的是每個(gè)像素設(shè)置有薄膜晶體管（TFT），能有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，靜態(tài)特性顯示液晶屏與掃描線數(shù)無關(guān)，從而大大提高了圖象質(zhì)量。 TFTLCD包含16條數(shù)據(jù)線，讀寫線，指令/數(shù)據(jù)控制線，片選線，液晶硬件復(fù)位線，背光控制線。STM32F103VET6作為MCU，F(xiàn)SMC一個(gè)16位的并行接口，以18080接口的定時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)彩色顯示和效率的平衡，在使用16位64K彩色接口模式。有五個(gè)紅，六個(gè)綠，五個(gè)藍(lán)色的各像素來代表共16個(gè)，320 * 240的分辨率。圖像占據(jù)320 * 240* 2 =153600字節(jié)[5]（圖2）。

圖2　TFTLCD電路

3 步進(jìn)電機(jī)

3.1 硬件部分

系統(tǒng)中用的TΗB6128是東芝公司生產(chǎn)的57系列步進(jìn)電機(jī)。TΗB6128細(xì)分型兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，最高耐壓40V （DC），適用驅(qū)動(dòng)電流小于2A，外徑小于57毫米的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如24、28、39、42、57等步進(jìn)電機(jī),具有快衰、慢衰、混合式衰減三種衰減方式，內(nèi)置溫度保護(hù)和過流保護(hù)[6]。驅(qū)動(dòng)原理：STM32的通用定時(shí)器3產(chǎn)生的兩路PWM輸出為電機(jī)1和電機(jī)2提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)脈沖。通用輸入輸出口PC1、PC2、PC3用來控制電機(jī)1的細(xì)分設(shè)定，通用輸入輸出口PB12、PB13、PB14用來控制電機(jī)2的細(xì)分設(shè)定。電路原理圖如圖3。

3.2 軟件部分

STM32的定時(shí)器除了TIM6，TIM7外都能用來產(chǎn)生PWM波輸出，其最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出。它不像51單片機(jī)那樣，需要通過輸出高低電平來模PWM的輸出，只需要配置定時(shí)器和端口，通過軟件改變占空比即可，不同的占空比能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速的作用。

圖3 電機(jī)原理圖

PWM輸出配置[6]

（1）開啟TIM3時(shí)鐘，配置PC6、PC7為復(fù)用輸出。通過設(shè)置APB1ENR開啟TIM3的時(shí)鐘，配置PA7為復(fù)用輸出，打開TIM3_ CΗ2、TIM3_CΗ3；（2）設(shè)置TIM3的ARR和PSC 。打開TIM3時(shí)鐘之后，設(shè)定ARR和PSC兩個(gè)寄存器的值來控制PWM周期的輸出；（3）設(shè)置TIM3_CΗ2、TIM3_CΗ3的PWM模式。設(shè)置TIM3_CΗ2為PMW模式（默認(rèn)是凍結(jié)的），因?yàn)橄到y(tǒng)需要1KΗz的方波作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所以通過配置TIM3_CCMR1的相關(guān)位來控制TIM3_CΗ2的模式來輸出1KΗz方波后保持不變即可；（4）設(shè)置TIM3的CΗ2輸出，使TIM3能用。設(shè)置完后，啟動(dòng)通用定時(shí)器TIM3的通道2、通道3以及TIM3。前者由TIM3_CCER1設(shè)置，它是一個(gè)單路開關(guān)，后者通過TIM3_CR1設(shè)置，是整個(gè)TIM3的總開關(guān)。設(shè)置這兩個(gè)寄存器，可以看到TIM3通道2的PWM波輸出。

通過以上步驟，STM32的PC6和PC7就可以控制TIM3的CΗ2、CΗ2輸出 PWM波了。

4 結(jié)語

系統(tǒng)上電，觸摸屏控制正常，電機(jī)按照觸摸屏動(dòng)作進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、調(diào)速。二氧化碳傳感器、甲烷傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度，并且將監(jiān)測(cè)的氣體濃度上傳到系統(tǒng)內(nèi)部，通過液晶屏輸出顯示。各個(gè)部件均按照設(shè)計(jì)正常工作和運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)成功。

[1]基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[S].北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[3]奮斗嵌入式開發(fā)工作室.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ucosII在奮斗板上的應(yīng)用[J].2011.

[4]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005(01).

[5]基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社:2008. [6]高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)集成芯片THB6128[ EB /OL].

馬明濤（1972-），男，吉林吉林人，副教授，主要從事：電子電路和信號(hào)的檢測(cè)、傳輸方面的研究。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.221

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目 （編號(hào)2013342）