《工业控制计算机》2019年第32卷第3期
天线随动系统针对特定场景需求，驱动天线进行横向往返运动，实现单天线即可扫描读取数量近千个的RFID标签。本系统采用基于ARM的低成本微控制器LPC11XX系列，使用工业现场应用广泛的485总线通信方式［1］，输入输出信号均进行信号隔离处理。该系统能够很好地应用于天线随动系统的控制。1硬件总体设计 硬件组成如图1所示，主要由电源模块、信号隔离电路、控制电路部分以及系统电路部分四部分组成。其中电源模块为其他各个模块提供稳定可靠的工作电源；信号隔离电路实现系统电路部分与控制电路部分的电气隔离；控制电路部分实现485通信、电机控制、系统状态检测和指示的功能；系统电路部分是系统正常工作的基础。 图1系统硬件组成示意图
2硬件各模块设计
2．1LPC1114FBD48
本系统的处理器选用恩智浦的LPC1114FBD48，该处理器是一款基于ARM Cortex－M0的低成本32位处理器［2］。
LPC1114FBD48的CPU频率最高可达50MHz，12MHz内部RC振荡器的精度达到1％，支持在线系统编程（ISP）和在线应用编程（IAP）。该处理器的外设包括32kB的闪存，8kB的数据存储，一个支持内部队列缓冲（FIFO）和RS－485的UART，两个SPI接口，四个通用计数器／定时器，一个10位ADC和多达42个通用输入／输出（I／O）引脚。
这款处理器能够很好满足天线随动控制系统的硬件设计需求，能够提供出的工作性能，并且具备成本低廉的优势。
2．2电源模块
本设计中为了防止外部干扰信号通过电源耦合到内部电路，增强硬件的抗干扰能力，对系统电路部分和控制电路部分采用分离独立供电的方式。
2．2．1系统电路供电
系统电路供电使用金升阳的F1205X T－1WR2芯片，这款DC－DC电源模块能够提供一组与输入电源隔离的电压。如图2所示，输入12V的外部电源到F1205X T－1WR2的VIN引脚，从VO输出经过隔离后的5V电源。
图2系统电路供电电源
经过隔离后的5V电源需要经过稳压至3．3V给系统电路供电，本设计中选用AMS公司的AMS1117－3．3V，这款芯片是一款高效率的线性稳压器，主要用于开关电源的后稳压器，支持4．75V 到12V的输入电压，输出3．3V输出电压，供电电流可达1A［3］。2．2．2控制电路供电
控制电路供电使用安森美（ON）的LM7805，提供5V供电，AMS公司的AMS1117－3．3V，提供3．3V供电；LM7805是一款经典的三端稳压集成电路，所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。2．3信号隔离电路
本系统通过信号隔离电路实现将LPC1114FBD48的信号与外部信号的电气隔离，以防止外部干扰信号通过外部控制电路耦合到系统电路，保证系统的稳定工作。信号隔离电路分为两部分：高速信号隔离电路和普通信号隔离电路［3］。
2．3．1高速信号隔离电路
设计中选用台湾光宝的6N137进行高速信号隔离。6N137是一款单通道的高速光耦合器，转换速率高达10MBit／s，具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，兼容LSTTL／TTL信号，电路设计如图3。
2．3．2普通信号隔离电路
设计中选用亿光电子的EL357N进行普通信号隔离。
基于A RM的天线随动系统的硬件设计
Har dware Design of Antenna Follower System Based on ARM
陈建辉12张捷1
（1南京理工大学自动化学院，江苏南京210094；2中国航天科工集团第二研究院七〇六所，北京100854）
摘要：针对驱动天线装置运动的需求，设计一个基于LPC11XX系列的控制器。主要阐述了基于ARM的天线随动系统的硬件设计，包括电源模块的设计、信号隔离电路的设计、系统电路部分的设计以及控制电路部分的设计，并介绍了基本的硬件调试手段，验证了系统的可靠性和正确性。
关键词：天线随动系统，L PC11XX，信号隔离
Abstract:A controller based on LPC11XX series is designed in view of the demand of the movement of the drive anten-na device．The hardware design of antenna servo system based on ARM is presented in this paper,containing power module, signal isolation circuit,system circuit,as well as con
trol circuit．Furthermore,hardware debugging methods for these parts are il-lustrated in this paper,which verified the reliability and correctness of the system．
Keywords:antenna servo system,LPC11XX,signal
isolation
135
基于ARM 的天线随动系统的硬件设计
EL357N 是一款5V 供电，单通道的光耦合器，适用于需要使用隔离，但对开关转换速率要求不高的场合，设计的电路如图4。
图4
普通信号隔离电路
2．4系统电路部分
系统电路部分包括了SWD 接口、ISP 接口、时钟模块以及监控复位电路。
2．4．1SWD 接口
串行总线调试（Serial Wire Debug,SWD ）接口是一种调试接口，仿真器通过该接口连接目标（MCULPC1114FBD48），配
合开发软件能够方便的进行程序的下载和在线调试，对于加快程序的开发设计有很大的作用。设计该接口采用4条线与目标
MUC 进行连接，包括VCC 、SWDIO 、SWDCLK 和GND ，其中SWDIO 为双向数据口，SWDCLK 为时钟口，由主机进行驱动。2．4．2ISP 接口
在线系统编程（In －System Programming ）接口设计用来
进行程序的下载，当程序设计完成后，需要交付工厂进行硬件的批量生产时，只需向工厂提供HEX 文件，通过简单的连线即可通过串口进行程序的擦除和写入。使用ISP 下载时需要将
LPC 1114FBD48的BOOT 引脚拉低，当LPC 1114LPC1114FBD48芯片上电的时候，芯片自检观察BOOT 引脚电平，如果是高电
平，运行单片机内部用户下载进去的程序，如果是低电平，会一直等待用户下载程序。
2．4．3时钟模块
本系统设计时，时钟源选择12MHz 的无源晶振，LPC 1114－
FBD48的系统振荡器通过XTALOUT 和XTALIN 和12MHz 的外部晶振相配形成时钟模块，该时钟模块作为LPC1114FBD48
的工作时钟来源。
2．4．4监控复位模块
设计中选用了美信的MAX823T 芯片。MAX823T 微处理器集成了电源监控，复位输出，看门狗和手动复位输入功能。本设计对系统部分电路的＋3．3V 电压进行监控，如图5所示，这个电路提供三种复位功能：①在＋3．3V 电压降到门限值＋3．08V 以下，强制系统进入复位状态；②在可以通过MR 引脚上的按键对系统进行手工复位；③若系统没有在规定时间内给WDI 引脚进
行喂狗操作，将对系统进行复位操作。
2．5控制电路部分
控制电路部分包括485通信模块，电机控制模块和输入输
出模块。
2．5．1485通信模块氮气冷却系统
橡胶抛光轮设计中选用艾科嘉（EXAR ）的SP485芯片实现485通信。
SP485是一款半双工收发器，完全符合RS －485和RS －422协议［4］。如图6所示，SP 485的R 0和DI 分别通过高速光耦连接至主控芯片串口的RXD 和TXD 引脚，实现将TTL 的串口通讯信号转换为485的A －B 差分信号，通过DE 和RE 引脚可实现SP 485收发器的接收和发送状态的切换，DE 和RE 共用信号DTR 。
图6485通信电路
2．5．2电机控制模块
电机控制模块选用德州仪器（TI ）的DRV10983，该器件是一款输入电压8V 到24V ，具有集成功率MOSFET 的三相无传感器电机驱动器，可提供2A 的持续驱动电流。如图7所示，
DRV10983的SPEED 引脚通过高速光耦连接至主控芯片的PWM 波输出引脚，通过控制PWM 的占空比调节电机的速度，通过DIR 引脚可以控制电机的运行方向，FG 引脚反馈电机的
（下转第138页
）
图7电美容加湿器
机控制电路
触摸调光ic图3
高速信号隔离电路
图5监控复位电路
136新型广告媒介
基于PLC的藻泥处理自动化控制系统设计
（上接第136页）
运行速度；引脚U、V、W与无刷直流电机三相相连，实现对电机的控制［5］。
2．5．3输入输出模块
温室保温被
输入输出模块包括信号指示灯和传感器状态检测。其中信号灯采用共阳极的设计，主控芯片输出引脚通过普通光耦隔离实现对信号灯的控制；传感器状态检测采用共阴极的设计，传感器的开关动作信号通过普通光耦隔离后连接到主控芯片的输入引脚，实现对传感器动作信号的检测。
3系统调试
3．1电源模块调试
焊接电源模块芯片及其外围电路，输入12V电压，测量＋5V、＋3．3V、＋5VOUT、＋3．3VOUT电压输出。上电后，检查各电源芯片是否发热，若发热则立即断开输入电源进行检查。
3．2最小系统调试
在电路板上焊接LPC1114FBD48、12MHz晶振、SWD接口及其他外围器件。仔细检查有无短路、虚焊、漏焊等情况，无问题后上电，测量芯片工作电压是否正常。利用SWD接口下载输出PWM信号的测试程序，用示波器测量输出信号是否正确［6］。3．3控制电路调试
焊接SP485、DRV10983等其他元器件。下载485通信及电机控制的测试程序，测试系统是否能够正常接收485通信信息以及是否能够对电机进行正常的控制。
4结束语
本文设计了基于ARM的天线随动系统的硬件电路板，采用485总线通信，可对直流无刷电机的进行控制，输出输入信号均采用了隔离措施。通过实际应用测试，该电路板能够很好地应用于天线随动系统，具有较好的可靠性和稳定性，满足系统需求。
参考文献
［1］冯子陵，俞建新．RS485总线通信协议的设计与实现［J］．计算机工程，2012，38（20）：215－218
［2］孔亚广，邹洪波，赵晓东．应用于超声波声强测量的电路：C N1030－63293A［P］．2013－04－24
［3］温习，阎永禄．典型信号隔离电路设计［J］．兵器装备工程学报，2011，32（8）：94－95
［4］辛萌萌．RS－485通信接口芯片的IC设计与实现［D］．大连：大连理工大学，2008
［5］张岩，秦晓芳，刘根水．光耦在直流电机驱动系统中的应用［J］．电子技术，2017，46（10）
［6］张涵．ARM Cortex－M0嵌入式系统设计与应用［M］．北京：电子工业出版社，2013
［收稿日期：2018．11．6］
以避免I O Server数据更新时间超过软件启动完成时间时引起的记录错误现象。
2．2PLC软件的开发设计
在本项目中，PLC程序的开发环境主要有RSlo gix和CCW 两种，软件开发设计主要体现在控制逻辑编写、控制策略优化等工作上，其中控制逻辑编写比较常规，在本文中不再进行描述。
控制策略的优化主要体现在设备的控制上，以回流泵为例，PLC软件可以实现控制策略优化，体现在以下几个方面：1）泵组均衡运行。一套泵组连续运行超过设定时间后，将自动停用，并启动备用泵组中综合状态良好（包括运行台时最小、无故障等综合判定）的那组。这种运行模式不但可以确保泵组及时开启，还可以保证所有泵组运行时间均衡。
2）智能切换。当运行中的泵组出现电气故障（例如三相电流异常）时，将自动停用该泵组并启动备用泵组中最优的那组泵，同时将该故障发生时的信息记录供日后追溯，可以确保只要有储备泵组即可永不停机。
3）故障警报。将故障分为重故障、轻故障两种，分别进行不同的处理。重故障需要停机并启用其他泵组，这类故障包括变频器故障、电气故障、液位故障、电流超高或超低故障；轻故障包括运行电流短时间异常、液位异常，轻故障超过一定时间（可以设定）无人确认可以根据设定自动转成重故障报警，并停机保护。
4）冗余测量校准。通过以太网通信采集电流以及回流流量，利用电流、频率和回流量三者之间实现仪表冗余测量校准，可以充分利用现有数据，实现仪表冗余，降低了硬件投资，提升了系统稳定性。
以下为CCW开发环境中回流泵电流、电压数据读取的程序。(觹sl ave read觹)
IF modbus＿cnt＝58THEN
MB1＿LocCfg．Cmd:＝3;(觹功能码觹)
M B1＿LocCfg．ElementCnt:＝28;(觹读取长度觹)
M B1＿TargetCfg．Addr:＝363;(觹寄存器起始地址觹)
S lave＿node:＝10;
END＿IF;
MB1＿TargetCfg．Node:＝Slave＿node;(觹从站站号觹)
M B1＿Con(MB1＿En,FALSE,MB1＿LocCfg,MB1＿TargetCfg, MB1＿LocADDR);
MB1＿Done:＝MB1＿Con．Q;
MB1＿Err:＝MB1＿Con．Error;
MB1＿ErrID:＝MB1＿Con．ErrorID;
(觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹66666觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹觹)
(觹数据read觹)
IF modbus＿cnt＝61THEN
IF MB1＿ERR＝FALSE THEN
COP＿data1(TRUE,MB1＿LocADDR,0,P1＿RD,0,2,FALSE);
MB＿SLAVE＿SAT．1:＝TRUE;
ELSE
COP＿data2(TRUE,ZERO＿DATA,0,P1＿RD,0,2,FALSE);
MB＿SLAVE＿SAT．1:＝FALSE;
END＿IF;
END＿IF;
在程序中，通过MB＿SLAVE＿SAT．1表示智能电表是否在线，当智能电表在线时，其才参与控制策略的优化。
3结束语
这种系统架构不但满足了试验项目建设周期短的要求，而且配置灵活，方便拆装改建，便于试验测试。通过软件设计及控制策略的优化，确保主要数据包含数据质量标签，分控站PLC 在应用该数据时
可以通过数据质量标签判定其是否可用。系统建设完成，目前已经试运行四个多月，不但提升了藻泥处理试验项目的生产效率，其记录的数据还为后续试验分析提供了支撑。
参考文献
［1］刘为玉．基于P LC的冶金污泥处理控制系统设计［J］．电气应用，2013（8）［2］王艳秋．基于P LC的污水处理控制系统［J］．品牌（下半月），2015（4）［3］李明珠．PLC和组态软件在水泵机组性能测试中的应用［J］．供水技术，2017（11）
［4］陈琦．初探现场总线应用于数据采集系统［J］．通讯世界，2016（22）：64
［收稿日期：2018．12．17］
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