基于STM32单片机的数控机床数据采集系统设计.pdf

装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料16基于 STM32 单片机的数控机床数据采集系统设计*朱力琼甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001摘要：文章针对异构型数控车床设计了 STM32 通用采集模块，将单片机技术与无线通信技术相结合，在保证质量的同时提高了生产效率。测试结果表明，文章所设计的采集系统可以准确采集到加工过程中的生产数据信息，采集速度快、传输迅速，具有很强的实用价值。关键词：STM32 嵌入式单片机；数据采集；电路设计；程序设计分类号：TG659；TP274随着大数据、云计算等技术的兴起和工业 4.0 的发展，现代制造业正在从以机器为特征的传统技术时代向高效化、智能化、信息化的技术时代迈进，制造业在各个环节努力管控生产质量、提升生产效率，促进企业经营管理模式系统化。数控机床作为制造业最为核心的设备，车间的信息化已经成为制造类企业发展的必然选择，而数控机床的生产数据采集，乃至制造业装备系统的数据采集发展，真正构成了智能制造和工业 4.0 发展的第一步1。文章基于数控机床生产数据采集通用性的需求，设计了基于嵌入式单片机 STM32 的采集方案，通过各种传感器将被测量对象转换为电量，设计开关量和模拟量采集接口电路，实现了数控机床的运行状态和生产数据的综合采集。1 总体方案设计数控机床生产数据采集系统要解决的第一个问题是机床加工过程中各种模拟和数字信号的数据采集，目前国内外应用最为广泛数控系统是西门子系统和发那科系统，这两个系统都自带采集软件，因此可以直接采集加工过程中的各项数据。但这种软件通常在短时间内不易掌握且价格昂贵，而且与其他数控系统软件和不同厂商生产的机床互不兼容。目前，我国数控机床数据采集的研究方向主要集中在如何统一接口和选择合适的采集方法，首先需要解决的是流程复杂、信息纷乱的车间数控设备信息化的问题。自行开发的数据采集方法，一方面可以节省成本，另一方面可以适应用户定义和需求。目前国内企业中广泛使用的采集方法有基于 PLC 和电器电路的机床信号采集、基于 ARM9 的数控机床数据采集、基于外接传感器的机床模拟量采集、基于串口的数控机床数据采集等。数控机床采集的数据类型如图 1 所示。数控机床生产数据机床开关量信息机床模拟量信息加工相关信息通电状态、主轴启停、程序启停、故障报警.主轴电流、主轴功率、主轴转速.数控程序号、当前刀具号、工件计数.通电状态、主轴启停、程序启停、故障报警图 1 数控机床的数据主要类型从以上分析可以看出，数控加工制造车间的数据庞大复杂、分散多变，既需采集车间生产数据，也要采集设备运行数据，数据载体分布于车间的不同地方。因此，文章采用分布式采集和集中管理的采集系统。分布式采集由嵌入式单片机采集模块完成，集中管理由上位机管理系统完成，通过采集系统的无线传输网络上传到上位机。上位机的主要任务是接收信息，处理和分析并将结果存储下来2。2 采集模块硬件电路设计2.1 核心芯片选择采集电路模块的主要功能是将串口数据或者模拟量数字量采集、分析、转换和校验后通过网络进行数据传输。该设计采用单片机嵌入式微机系统，以增加文章编号：2096-3092（2023）08-0016-03*基金项目：甘肃机电职业技术学院科学技术类项目“一种基于单片机控制的开关电源的分析与设计”（GSJD2022A03）作者简介：朱力琼，女，硕士，讲师，研究方向为电气自动化技术、应用电子技术。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化17系统的准确性和灵活性。芯片采用意法半导体（ST）公司的 STM32F103C8T6 系列处理器，STM32F103C8T6 芯片是基于 Cortex-M3 内核的 32 位处理器，寄存器和存储器也是 32 位的。硬件的封装形式采用 48 脚（LQFP48），属于 ST 公司微控制器中的 STM32 系列。此系列处理器对嵌入式系统编程进行了简化，具有高性能、低功耗、低成本的特点。2.2 核心电路设计数控机床生产数据采集系统的核心是单片机 STM32采集模块，采集芯片将数控机床、外围器件和上位机连接起来。但是 STM32 微处理器芯片不能独立工作，必须提供外围电路，构成 STM32 系统，并设计对应的接口电路。STM32F103C8T6 最小系统电路由 3.3 V 电源电路、滤波电路、8 MHz 时钟电路、复位电路、显示屏电路、下载电路以及通信模块等组成。为了方便之后扩展，芯片的所有 I/O 管脚都已拔出。该设计的最小系统电路原理图如图 2 所示。（a）电源及时钟部分电路（b）采集及通信部分电路图 2 最小系统电路原理图STM32F103C8T6 总共有 5 个接电源正极和 4 个接地引脚，分别给内部不同的模块供电。芯片的工作电压为 2.0 3.6 V 的直流电，因此首先需要将 220 V 的交流电整流为 5 V 的直流电，然后通过降压电路降为3.3 V 供电。转换过程中需要对电压进行滤波，5 V 和 3.3 V 端分别接入电容进行滤波。滤波电容接在输出端与负载之间，以滤除直流电源中的高频噪声，使直流电平滑，保证电源输出的稳定性和可靠性。通常采用大容量的电解电容，也可以在电路中同时并接其他类型的小容量电容以滤除高频交流电3。晶振电路是主控芯片的核心，通过振动给单片机提供时钟信号，因此可以无差错地跑程序。所有的外设电路和 CPU 工作都要基于该时钟。时钟电路由时钟发生器（时钟芯片）、晶振、电阻、电容和电感等组成。复位电路的作用是使电路恢复到起始状态，当单片机受到环境干扰出现程序运行偏离的时候，按下复位按钮，单片机从初始状态开始工作，把除了备份区域寄存器以外所有寄存器状态恢复到原始状态。STM32 单片机有上电复位、系统复位、备份区域复位等方式。该设计采用的是系统复位中的外部复位（NRST引脚的低电平复位），在上电瞬间通过按键为 NRST 引脚产生一个短暂的低电平，让系统完成复位。刚上电的时候电流会通过 R12 和 C13 到地，为 C13 充电，此时 NRST 的引脚为低电平。当 C13 充满电以后，C13就处于“断路”的状态，此时 NRST 的引脚由低变高电平4。STM32F103C8T6 烧录下载方法大体上有三种，分别为 JTAG 下载、SWD 下载以及串口下载。该设计采用的烧录方式为 SWD 下载，下载电路设计时 SWDIO、SWDCLK、VCC 和 GND 这 4 个引脚引出，同时单片机的 BOOT0、BOOT1 引脚要接地。3 程序设计数控机床生产数据采集系统的程序设计思路是：在嵌入式 STM32 的硬件平台上，采集数控机床输出 14 路开关量信号、4 路 ADC 模拟信号且能实现数字控制程序传输功能及无线通信功能。3.1 采集系统 TCP/IP 通信实现只要做上位机开发，就离不开通信协议。单片机与上位机之间有串口通信和以太网（TCP/IP）通信两种通信方式。该设计数控机床数据采集模块与上位机之间采用 TCP/IP 通信，对系统硬件及软件进行合理配 装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料18置。TCP 需要有发起连接、接受连接、发送数据、接收数据、关闭连接等操作以配合数据的传输，这就需要在单片机上实现 TCP/IP 协议栈5。3.2 采集端口程序设计CPU 是整个芯片的核心，它承担着大量数据运算和中断响应的工作，而有些相对简单的功能操作的CPU 占有率较高，导致整个系统计算能力低下。DMA的出现为 CPU 分担数据转移工作，整个数据传输操作在 DMA 控制器的操控下进行，CPU 可以在数据转移的同时并行工作进行数据处理，大幅提高了整个系统运行效率。数据采集流程图如图 3 所示。DMA1初始化配置ADCI初始化配置ADC 114采样通道配置数组ADC_ Valuc保存14通道采集数据以DMA模式开启ADC1转转，数据传输至内存多通道数据采集开始结束换ADC1图 3 数据采集流程图3.3 系统测试数控机床信息采集系统测试，主要测试开关量及模拟量，文章中用两种传感器模拟了这两种信号的测试环境，观察输入状态数据是否与系统运行显示数据一致。利用烟雾传感器、温度传感器和光敏电阻检测，模拟 AD 输入，利用稳压电源正电压（高电平）和电源地（低电平）的变化模拟开关量的输入。观察采集到的信号与实际输入状态是否一致，并反复切换高低电平测试系统的响应速度。将数控机床采集模块、Wi-Fi 无线通信模块、显示器、网络接口模块及上位机连接，构成系统测试环境，如图 4 所示。运行采集系统上位机软件，将嵌入式采集终端通过网络通信接口接到网络中，设置网络通信参数，端口号：8089，IP 地址：192.168.4.1，打开服务器连接系统，观察读取采集数据状况。STM32 嵌入式数据采集终端有 4 个模拟量输入通道，用一个烟雾传感器通过打火机放出烟雾模拟 AD输入，随着烟雾浓度的增加，模拟数据采集通道 1 的电压值不断升高，其他通道电压值不变；用温度传感器通过打火机加热模拟 AD 输入，随着温度升高，模拟数据通道 2 的电压值不断减小，其他通道电压不变。用两根连接线分别连接稳压电源的正电压和电源的两端通过输出的高低电平模拟开关量通道，反复切换高低电平以测试采集终端的响应性和同步性，模拟数据采集通道 1 电压的变化如图 5 所示。图 5 测试模拟信号输入依次测试 4 个通道的模拟量输入信号，设置采集周期为 1 s，程序自动记录电压值，如表 1 所示（见217 页）。由表中数据绘制出电压值随时间变化的曲线，如图 6 所示（见 217 页），曲线形象地反映出烟雾浓度从低到高变化过程中，烟雾浓度对应电压的变化过程。经测试，上位机管理系统中信号的变化与传感器检测数值以及开关量的变化一致，而且系统可以快速地反映系统状态的变化，满足系统设计的要求。4 结束语文章针对异构型数控车床提出了分布采集、集中管理的总体设计方案，设计了 STM32 通用采集模块，将单片机技术与无线通信技术相结合，（下转第 217 页）图 4 系统测试电路板造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 轻工人才217平。在政策方面，科研分与教学分开展互认或抵扣，对教师科研型、教学型、科研教学型三类进行分类定义，对科研分和教学分进行匹配，更大保障科研型教师的科研能力和技术服务能力，同时教学型教师也能更好保障其教育教学水平9。4 结束语综上所述，湖南省“三高四新”战略的提出和实施给湖南省的装备制造业的智能化发展和产业升级带来新的挑战和机遇，高职院校作为高素质技术技能人才的重要培养基地，需要适应新时代的发展和需求，为“三高四新”战略提供人才保障。高职院校要围绕“三高四新”战略要求，充分发挥湖南省高职院校装备制造类专业的优势，深入推进育人方式、教学模式的改革创新，提高高职院校专业人才培养质量，全面服务湖南装备制造行业发展。参考文献1 施南奇,张德文.新发展理念下高职专业设置与地区产业发展契合度研究:以无锡10所高职院校为例J.职业技术教育,2021,42(23):34-38.2 刘晓宁.“四新”背景下高职院校新兴专业建设研究D.苏州:苏州大学,2020.3 邵建东.高职院校专业教师团队建设研究D.厦门:厦门大学,2020.4 廖耀青.基于“岗课赛证融通”的智能制造专业群人才培养模式探索与实践J.造纸装备及材料,2023,52(6):219-221.5 刘建超.适应装备制造产业集群发展的技术技能人才培养研究J.中国职业技术教育,2023(2):85-90.6 王斌.智能制造背景下的应用型汽车专业人才培养研究J.职教论坛,2018(4):148-152.7 易烨,戎笑,丁明军.1+X证书制度视域下高职智能制造专业群复合型技术技能人才培养探究J.教育与职业,2021(16):65-68.8 邵建东,牛晓雨.高职院校专业教师团队建设的特征差异及关系研究:以装备制造大类专业为例J.中国高教研究,2021(4):103-108.9 邱福明.装备制造大类职业教育专业链对接产业链的价值性、着眼点和着力点J.教育与职业,2022(1):96-100.表 1 第 1 通道采集电压值时间/s浓度/（mgm-3）电压/V时间/s浓度/（mgm-3）电压/V02 0860.00103 2902.6612 0860.00113 4302.9122 2200.21123 5643.2632 3560.55133 6943.5042 4870.83143 8353.8852 6221.16153 9634.1462 7531.40164 1004.4772 8861.79174 2344.7883 0242.05184 2344.7893 1592.38194 2344.78012345605101520电压/V时间/s 0图 6 第 1 通道电压值随时间变化曲线在保证质量的同时提高了生产效率。开关量信息是通过对电路节点电压的分析来获得，模拟量信息是通过STM32 的外设传感器和 ADC 模块来获得。该设计虽然实现了部分功能，由于自身的理论知识有限，系统设计还处于初步研究阶段，实验方案还不够完善，还存在以下方面的不足需要改进。（1）文章中数据采集的准确性和快速性缺少具体的评价指标，下一步研究要考虑加入量化标准。（2）文章的重点针对数据采集功能的实现，而没有对采集数据的分析和利用进行研究，未能从结果中找出数据特征，这些采集到的数据包含了许多跟生产相关的潜在信息，下一步研究工作可以对这些采集到的数据进行深层次的分析处理。参考文献1 宋丹,梁睿君,李伟,等.数控机床远程智能故障诊断系统设计J.数据采集与处理,2020,35(1):173-180.2 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