基于ARM的电子编码式司机控制器优化设计

I基 于 ARM 的 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 优 化 设 计摘 要 ： 司 机 控 制 器 是 机 车 用 以 换 向 及 调 速 的 主 控 制 器 ， 是 司 机 用 来 操 纵 机 车 的 手 动 装 置 。 在 当 今 这 个 智 能 时 代 ， 向 智 能 化 迈 进 已 经 成 为 各 个 领 域 的 必 经 之 路 ， 基于 ARM 的 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 已 经 对 传 统 司 机 控 制 器 进 行 了 逻 辑 功 能 的 编 码 完 成 ， 距 离 能 够 实 际 操 作 的 司 机 控 制 器 还 有 需 要 优 化 改 进 的 地 方 ， 因 此 对 其 进 行 优化改进显得尤为重要。 通过研究传统机械转盘式司机控制器与现有基于 ARM 的 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器的运行状态、逻辑控制等功能需求，设计了以 STM32F103ZET6 微 处 理 器 为 控 制 核 心 ， 各 模 块 集 成 化 设 计 。 在 此 基 础 上 设 计 了 人 机 交 互 能 力 强 的 UI 界 面 系 统 。 司 机 可 通 过 该 界 面 实 时 监 控 机 车 的 运 行 状 态 ， 并 可 通 过 触 碰 界 面 的 按 钮 对 机 车 进 行 实 时 操 控 。 新 型 司 机 控 制 器 将 去 除 原 司 机 控 制 器 的 弊 端 ， 将 变 得 更 加 可 靠 、 体 积 更 小 、 人机交互能力更强，可以对机车状态起到实时监控的作用。 关键词：STM32；ARM；司机控制器；IVElectronic Code-based Driver Controller Optimization Design Based on ARMAbstract: The driver controller is the main controller used by the locomotive to change direction and speed, and is the manual device used by the driver to operate the locomotive. In todays intelligent era, the move to intelligence has become a must-see in all fields. ARM-based electronic coded driver controllers have been used to encode the traditional driver controllers with logical functions, and the actual distance from the driver can be controlled. There is also room for optimization and improvement, so it is especially important to optimize it.By studying the operation requirements and logic control of the traditional mechanical dial-type driver controller and the existing ARM-based electronic coded driver controller, the STM32F103ZET6 microprocessor is used as the control core and the integrated design of each module is designed. On this basis, a UI interface system with strong human-computer interaction capability is designed. The driver can monitor the running status of the locomotive in real time through this interface, and can control the locomotive in real time by touching the buttons on the interface.The new driver controller will eliminate the drawbacks of the original driver controller, will become more reliable, smaller, more human-computer interaction, and can play real-time monitoring of the status of the locomotive.Keywords: STM32,ARM,Driver controllerIII目 录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 目的及意义 .11.2 司 机 控 制 器 的 现 状 及 发 展 趋 势 .11.2.1 司机控制器的现状 .11.2.2 司机控制器的发展趋势 .21.3 主要研究内容 .22 系统总体方案设计 .32.1 现 有 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 分 析 .32.2 系统优化任务要求 .32.3 系统总体方案设计 .42.4 本章小结 .43 系统硬件设计 .53.1 机械结构优化设计 .53.1.1 摇杆式控制器 .53.1.2 摇杆式控制器的运动方式 .73.1.3 外形包装设计 .73.2 底层硬件电路优化设计 .83.2.1 MCU 的 选 型 及 设 计 .83.2.2 数据采集电路 .103.2.3 继电器逻辑控制模块 .103.2.4 驱动执行模块 .113.2.4 电源模块 .113.2.4 液晶屏显示模块 .113.3 本章小结 .134 系统软件设计 .15IV4.1 软件系统开发环境 .154.1.1Keil MDK5 简介 .154.2.2 程序下载环境环境简介 .164.2 系统控制软件程序 .174.2.1 系统主函数 .174.2.2 系统逻辑关系 .174.2.3 系统逻辑关系主程序 .184.3 GUI 界面的设计 .194.3.1C OS 于 stm32 上的运行流程 .194.3.2C OS-III 移植于 stm32 .194.3.3LCD 触 摸 屏 驱 动 程 序 .194.3.4GUI 图形界面设计 .204.3.5 汉字显示 .204.4 本章小结 .215 系统运行与调试 .235.1 硬件平台搭建 .235.1.1 硬件电路板检测 .235.1.2 实物组装 .245.2 GUI 界面测试 .245.3 系统综合调试 .255.4 本章小结 .25结束语 .27参考文献 .29致谢 .31附录 A 系统底层硬件原理图 .33附录 B 系统底层硬件 PCB 图 .35附录 C 外形结构加工图 .37附录 D 源程序代码 .39附录 E 外文翻译及译文 .7511 绪 论1.1 目的及意义1814 年英国人 Stephenson 发明了历史上第一辆机车，伴随而来的是用来操纵 机 车 的 司 机 控 制 器 也 因 此 发 展 到 了 今 天 ， 随 着 我 国 经 济 的 迅 速 发 展 ， 不 管 是 在 铁 路 运 输 还 是 城 市 地 铁 ， 司 机 控 制 器 的 需 求 日 益 增 大 ， 而 对 其 在 安 全 性 以 及 功 能 上 的 要 求 也 是 更 加 严 格 ， 司 机 控 制 器 作 为 司 机 用 来 驾 驶 机 车 的 关 键 部 件 ， 机 车 的 各 个 指 令 都 由 司 机 控 制 器 发 出 ， 必 须 严 格 保 障 司 机 控 制 器 的 安 全 性 能 ， 因 为 司 机 控 制器发生故障容易导致机毁人亡 1。 因此， 对基于 ARM 的电子编码式司机控制器 的优化改进尤为重要，尤其是在质量方面必须得到保障。通过研究， 运用嵌入式 技术与机械结构设计技术对基于 ARM 的电子编码式司 机控制器的优化改进。 通过对该课题的研究， 发现基于 ARM 的电子编码式司机控 制 器 已 经 基 本 解 决 了 传 统 机 械 式 司 机 控 制 器 的 体 积 大 ， 质 量 重 ， 机 械 磨 损 严 重 的 情 况 ， 但 是 其 线 路 复 杂 ， 凌 乱 ， 容 易 造 成 接 触 不 良 ， 负 载 低 ， 干 扰 大 ， 外 形 空 间 利 用 率 不 高 。 针 对 这 种 现 状 ， 对 底 层 硬 件 电 路 重 新 进 行 布 线 设 计 ， 对 外 形 结 构 重 新 进 行 设 计 使 整 个 装 置 空 间 利 用 率 变 高 ， 优 化 改 进 司 机 控 制 器 UI 界 面 系 统 。 优 化 改 进 后 的 司 机 控 制 器 能 够 去 除 传 统 机 械 式 司 机 控 制 器 与 基 于 ARM 的电子编码式 司 机 控 制 器 的 所 有 弊 端 ， 在 可 靠 性 ， 良 好 的 操 作 性 及 结 构 设 计 方 面 都 将 得 到 极 大 的改善，这对机车的智能化改进显得尤为重要。1.2 司 机 控 制 器 的 现 状 及 发 展 趋 势1.2.1 司机控制器的现状在 机 车 发 展 的 进 程 中 ， 国 内 的 司 机 控 制 器 主 要 依 赖 进 口 ， 对 于 发 展 司 机 控 制 器 ， 推 进 其 国 产 化 的 进 程 也 很 重 要 ， 上 世 纪 九 十 年 代 西 安 沙 尔 特 宝 电 气 有 限 公 司 成 立 ， 引 进 了 德 国 的 关 键 技 术 ， 对 国 内 司 机 控 制 器 的 发 展 做 出 了 极 大 的 贡 献 。 近 些 年 ， 地 铁 发 展 迅 速 ， 就 西 安 市 来 说 ， 近 两 年 陆 续 扩 建 了 多 条 地 铁 线 路 ， 由 于 地 铁 的 迅 速 发 展 ， 从 而 带 动 了 机 车 的 关 键 部 件 司 机 控 制 器 的 发 展 ， 司 机 控 制 器 在 功 能 上 越 来 越 强 大 ， 但 现 在 的 司 机 控 制 器 主 要 是 机 械 式 的 操 纵 方 式 ， 在 智 能 化 的 进 程上发展依然缓慢 2。国 外 司 机 控 制 器 早 已 普 遍 使 用 数 字 式 的 司 机 控 制 器 ， 数 字 式 司 机 控 制 器 具 有2非 常 好 的 性 能 特 点 ， 其 主 要 是 利 用 微 处 理 器 控 制 整 体 系 统 ， 采 用 电 子 技 术 设 计 硬 件 电 路 代 替 机 械 触 点 的 逻 辑 功 能 ， 从 而 在 司 机 控 制 器 的 逻 辑 控 制 上 更 加 的 稳 定 可 靠， 采用双卡热备份的技术， 避免各模块之间的干扰 3。 司机控制器 在我国发展的 200 年中， 在操作模式上并没有发生什么大的变化， 司机控制器发展过程中的操纵模式分类如表 1.1 所示。表 1.1 操 纵 模 式 分 类 控制手柄操纵方式 换向手柄功能 机械锁机构 警惕装置手轮式 钥匙式 有锁机构式 有警惕装置扳把式 非钥匙式 无锁机构式 无警惕装置平推式当然以上操纵方式也可集成于同一台司机控制器中。1.2.2 司机控制器的发展趋势由 于 机 械 式 司 机 控 制 器 种 种 弊 端 ， 司 机 控 制 器 的 智 能 化 发 展 已 经 成 为 其 主 要 发 展 趋 势 ， 智 能 化 发 展 主 要 是 运 用 机 电 一 体 化 与 计 算 机 技 术 ， 用 电 子 控 制 去 代 替 机 械 的 逻 辑 控 制 部 分 ， 使 用 机 械 技 术 减 少 司 机 控 制 器 的 体 积 大 小 、 占 用 空 间 。 例 如 ： 通 过 一 个 微 处 理 系 统 ， 采 用 电 子 编 码 的 逻 辑 控 制 方 式 转 换 操 作 手 柄 的 控 制 信 号 ， 模 拟 到 微 处 理 系 统 中 ， 取 代 凸 轮 触 点 机 构 ， 集 成 电 路 与 机 械 部 分 为 一 体 ， 整 体 的 控 制 电 路 。 现 代 机 电 一 体 化 与 计 算 机 技 术 不 断 发 展 ， 司 机 控 制 器 的 设 计 也 将 向着小型化智能化迈进。1.3 主 要研 究内 容1.查阅相关资料分析机械式司机控制器与现有电 子编码式司机控制器， 掌握其 结构工作原理以及操作方式的逻辑关系；2.确定系统总体方案，包括硬件机械结构，硬件电路与软件程序；3.对硬件部分包括机械与硬件电路部分优化设计；4.对 系 统 软 件 优 化 设 计 ， 包 括 ： 系 统 主 程 序 、 LCD 触摸屏程序等；5.组 装 司 机 控 制 器 ， 从 硬 件 电 路 和 GUI 界面以及软件程序分别对其进行调试， 最后进行系统综合调试。32 系 统 总 体 方 案 设 计2.1 现 有 电子 编码 式司 机控 制器 分析现 有 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 主 要 包 括 五 个 部 分 ： 换 向 手 柄 、 控 制 手 柄 、 液 晶 显 示 屏 、 外 围 硬 件 电 路 以 及 机 壳 体 。 在 机 壳 体 设 计 上 ， 整 体 外 壳 是 采 用 防 水 盒 钻 孔来实现，外形不美观，材质为塑料，抗压能力差，易损坏，面板采用 pvc 的面 板 设 计 ， 但 设 计 存 在 明 显 误 差 ， 与 实 际 面 板 存 在 不 符 现 象 ， 整 个 实 物 外 观 略 大 不 美 观 ； 硬 件 电 路 方 面 布 局 布 线 太 乱 ， 导 致 线 路 连 接 复 杂 ， 容 易 造 成 接 触 不 良 现 象 ； UI 界面显示当前状态，但有屏幕显示不稳定的情况出现。实物图如图 2.1 所示。图 2.1 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 实 物 图 机 械 式 司 机 控 制 器 的 逻 辑 控 制 采 用 凸 轮 触 点 机 构 ， 而 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 则 采 用 继 电 器 来 代 替 这 种 机 械 结 构 ， 即 用 电 子 编 码 实 现 机 械 触 点 的 功 能 ， 通 过 本 课题选用的 STM32 微 处 理 器 对 手 柄 发 出 的 各 种 指 令 进 行 识 别 处 理 ， 产 生 信 号 进 行 编 码 控 制 机 车 。 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 的 主 控 板 控 制 整 个 系 统 的 运 行 ， 机 车 的 方 向及调速由控制手柄及换向手柄控制，液晶屏显示当前机车运行状态状态。 2.2 系 统 优 化 任 务 要 求基于 ARM 的电子编码式司机控制器在系统硬件电路、 机械结构、 GUI 界面仍 存 在 不 足 。 硬 件 电 路 布 线 布 局 太 乱 ， 导 致 线 路 连 接 复 杂 ， 现 将 简 化 电 路 ， 重 新 布 局 ， 对 电 路 芯 片 的 选 型 ， 电 路 设 计 重 新 作 出 调 整 ； 机 械 结 构 方 面 存 在 设 计 误 差 ， 部 分 安 装 孔 位 不 准 确 ， 整 体 空 间 利 用 率 低 ， 难 以 做 到 对 比 机 械 式 司 机 控 制 器 的 缩 减 体 积 的 要 求 ， 本 设 计 将 进 一 步 优 化 整 体 结 构 ， 制 图 完 成 机 加 工 外 壳 ， 使 其 更 加 美 观 ， 空 间 利 用 率 高 ， 更 加 产 品 化 ； GUI 界面将进一步优化，使其更将人性化， 功 能 化 。 4摇杆式控制器数据采集模块 驱动执行模块电源模块RS232+USB接口TFTLCD显示屏复位电路2.3 系 统 总 体 方 案 设 计以 STM32 为核心， 除了 STM32 的最小系统 （包括电源模块， 时钟 电路， 复位 电路） 外， 还应包括 SD 卡用来储存 UI 界面 的字库与图片 ， RS232+USB 接口用来 下 载 程 序 ， 整 个 系 统 由 摇 杆 式 控 制 器 发 出 指 令 ， 通 过 数 据 采 集 模 块 采 集 信 号 发 给 STM32， 由 STM32 驱 动驱动执行模块， 进而控制继电器模块完成对信号的逻辑控 制，同时在 TFTLCD 显示屏显示 GUI 界面的当前信号状态。系统框图如图 2.2 所 示。图 2.2 系 统 框 图 2.4 本 章 小结通 过 对 原 有 司 机 控 制 器 的 逻 辑 控 制 方 式 及 硬 件 电 路 设 计 ， 机 械 结 构 的 分 析 ， 提出了任务要求， 确定以 MCU 为控制核心的方案。 为之后的硬件和软件搭建提供 了基础。UI人机交互界 面继电器模块STM32SD卡时钟电路53 系 统 硬 件 设 计在 确 定 了 整 体 设 计 方 案 之 后 ， 应 首 先 开 始 系 统 硬 件 的 设 计 。 硬 件 设 计 包 括 对 整 体 机 械 结 构 的 设 计 和 外 围 硬 件 电 路 的 设 计 ， 并 且 要 考 虑 对 关 键 器 件 的 选 型 ， 参 数验证等，用以确保所使用的器件符合设计要求。3.1 机 械 结构 优化设 计电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 的 机 械 结 构 部 分 主 要 由 摇 杆 式 控 制 器 和 外 形 包 装 结 构 组 成 ， 外 形 包 装 对 一 个 产 品 的 美