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 观 程 度 ， 体 积 大 小 等 方 面 尤 为 重 要 ， 本 设 计 将 使 用 Auto CAD 绘制三视图，对其设计进行机加工。3.1.1 摇杆式控制器机 车 的 换 向 及 调 速 等 功 能 由 控 制 及 换 向 手 柄 完 成 ， 最 早 的 机 械 转 盘 式 司 机 控 制 器 控 制 手 柄 及 换 向 手 柄 采 用 的 是 机 械 转 盘 操 纵 的 方 式 ， 操 作 费 力 易 磨 损 ， 现 采 用 摇 杆 式 控 制 器 作 为 换 向 手 柄 与 控 制 手 柄 的 控 制 方 式 ， 将 解 决 操 纵 费 力 易 磨 损 的 情 况 ， 从 而 使 司 机 控 制 器 更 加 可 靠 稳 定 ， 使 机 车 运 行 更 加 的 平 稳 4。 摇 杆 式 控 制 器 示 意 如 图 3.1 所示。1、微动开关1摇 杆 2底 座 3微 动 开 关 图 3.1 摇 杆 式 控 制 器 示 意 图微动开关 （微动开关如 图 3.2 所示） 是一种施 压促动的快速开关， 顾 名思义 就6是 通 过 对 摇 杆 进 行 施 加 压 力 ， 带 动 微 动 开 关 产 生 位 移 ， 从 而 完 成 微 动 开 关 两 个 管 脚的接触与断开，完成相应的信号转换。2.方向限制垫圈图 3.2 微 动 开 关 实 物 图 由于摇杆式控制器可以任意方向旋转， 而换向手柄与控制手柄只需要前后左右 操 作 ， 故 在 支 座 底 部 加 导 向 垫 圈 ， 不 管 如 何 操 作 摇 杆 式 控 制 器 ， 都 不 会 导 致 手 柄 操作发生故障，从而保证了机车的安全行驶。方向限制垫圈实物如图 3.3 所示。3.底座外形图 3.3 方 向 限 制 垫 圈 实 物 图 底座将摇杆固定住， 使 摇杆能够在支座中心按要求打动， 不发生乱移 位。 如图3.4 所示。1摇杆 2底座图 3.4 支 座 部 分 示 意 图73.1.2 摇杆式控制器的运动方式为 实 现 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 的 操 作 准 确 性 和 稳 定 性 。 如 图 3.5 所 示 ， 1 为摇 杆式控制器的摇杆， 通过对摇杆施加一个力 F， 可使摇杆向施力方向产生位移， 从 而完成信号的输入，而在力结束时则通过 2 所示的弹簧弯曲对摇杆施加反方向的 力，使摇杆恢复原状，从而使信号输入断开 。1摇 杆 2弹 簧图 3.5 摇 杆 结 构 三 维 示 意 图 3.1.3 外形包装设计采用 AUTOCAD 对 整 体 结 构 进 行 设 计 ， 充 分 考 虑 外 形 的 美 观 程 度 ， 体 积 大 小 ， 内 部 空 间 使 用 率 ， 解 决 现 有 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 外 形 设 计 不 严 谨 ， 材 料 易 损 ， 空 间 使 用 率 低 的 情 况 。 通 过 外 形 结 构 的 三 视 图 ， 对 设 计 进 行 机 加 工 生 产 外 壳 。 设 计主面板如图 3.6 所示。图 3.6 主 面 板 图 8Q235B 冷轧钢管是本设计机壳体的使用材料，Q235B 具有一定的伸长率、强 度 ， 韧 性 和 可 铸 性 ， 易 于 冲 压 和 焊 接 ， 常 用 于 一 般 机 械 零 件 的 制 造 。 它 主 要 用 于 焊 接 施 工 和 桥 梁 施 工 中 质 量 要 求 较 高 的 部 件 ， 该 设 计 的 外 壳 主 要 用 于 保 护 内 置 装 置 ， 故 此 材 质 满 足 要 求 。 整 个 机 壳 采 用 上 下 两 部 分 连 接 的 设 计 ， 与 前 代 不 同 之 处 在 于 空 出 左 右 两 个 侧 面 ， 可 以 方 便 连 接 线 路 ， 在 上 板 底 部 设 计 了 支 座 ， 用 于 固 定 电 路 板 ， 使 整 个 装 置 的 模 块 全 部 集 成 于 上 部 分 ， 下 部 分 只 起 到 保 护 的 作 用 ， 此 设 计 使 得 整 个 装 置 便 于 安 装 调 试 ； 在 面 板 设 计 上 ， 独 特 的 设 计 上 层 面 板 左 右 两 侧 突 出 一 厘 米 ， 钻 有 四 个 孔 位 ， 这 样 便 可 以 让 整 个 箱 体 在 机 车 上 安 装 时 保 证 整 个 箱 体 位于机车控制面板的下方， 只由主界面置于控制面板上 。 机加工外壳如图 3.7 所示。3.2 底 层 硬件 电路优 化设 计3.2.1MCU 的选型及设计图 3.7 机 壳 构 造 MCU 又 叫 做 单 片 机 ， 主 要 是 降 低 中 央 处 理 器 的 频 率 和 规 格 ， 形 成 以 内 存 、 计 数 器 、 USB、 A/D 转 换 、 UART、 PLC、 DMA 等 周 边 接 口 的 芯 片 级 计 算 机 5， 广 泛 应 用 医 疗 器 械 、 家 用 、 玩 具 等 。本设计是基于 ARM 的 电子编码式司机控制器， 确定采用 STM32F103ZET（如 图 3.8 所示）作为控制核心，该单片机属于 32 位的微处理器， 32 位 MCU 工作能 力 高 ， 其 内 核 为 ARM32 位的 Cortex-M3， 最 高 工 作 频 率 为 72MHz， 功 耗 低 ， 本 设 计将使用 26 个通用 IO 口，主要用于换向手柄与控制手柄的逻辑控制，以及编码 继电器的控制。9图 3.8 STM32F103ZET6 实物图 能够启动和运行 MCU 的最基本的硬件环境称为单片机的最小系统， 其由电源 电 路 、 时 钟 电 路 、 复 位 电 路 、 通 信 接 口 电 路 组 成 ， 处 理 器 的 正 常 运 行 即 依 靠 这 些 模 块 的 结 合 ， STM32 微处理器最小系统原理如图 3.9 所示。图 3.9 最 小 系 统 原 理 图 STM32F103 微控制器的工作电压在 +2.0V+3.6V 之间，而该单片机的外围芯 片电源基本为 5V， 故需将 5V 电压转换到 23.6 之间。 电源转换芯片 AMS1117-3.3V10（封装为 SOT-4） 是 一 款 可 将 5V 转压到 3V 的芯片，输入 5V 电 压 ， 可 输 出 固 定 的 3.3V 电 压 ； 时 钟 通 常 由 晶 振 产 生 ， 如 上 图 Y1 是 32.768kHz 晶 振 ， 为 RTC 提供 时 钟 。 Y2 是 8MHz 晶 振 ， 为 整 个 系 统 提 供 时 钟 ； 复 位 采 用 按 键 的 方 式 ， 按 下 按 键 将触发系统复位。3.2.2 数据采集电路传 统 机 械 式 司 机 控 制 器 的 数 据 采 集 依 靠 机 械 式 触 点 的 接 触 ， 这 种 逻 辑 控 制 方 式 采 集 信 号 依 靠 机 械 式 触 点 的 接 触 与 断 开 ， 长 期 使 用 易 磨 损 ， 导 致 信 号 的 输 入 不 稳 定 ， 电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 设 计 的 数 据 采 集 模 块 ， 采 用 摇 杆 式 控 制 器 的 作 用 输 入信号，完成信号的采集，解决了原有的弊端，数据采集电路如图 3.10 所示。图 3.10 数 据 采 集 电 路 本 设 计 数 据 采 集 电 路 采 用 低 电 平 触 发 来 对 驱 动 执 行 模 块 进 行 控 制 。 通 过 按 下 开 关 ， MCU 接收到“低电平”输入信号；放开开关， MCU 接收到“高电平”信 号，输入信号将取消，由此实现对信号的采集 6。3.2.3 继电器逻辑控制模块电 子 编 码 式 司 机 控 制 器 采 用 继 电 器 代 替 机 械 式 司 机 控 制 器 通 过 机 械 触 点 的 接 触 的 逻 辑 控 制 单 元 ， 继 电 器 模 块 相 比 机 械 触 点 信 号 传 输 速 度 更 快 反 应 更 加 灵 敏 。 继电器模块电路图如图 3.11 所示。11图 3.11 继 电 器 模 块 电 路 图 本次继电器模块采用的继电器型号为 SRD-03VDC-SL-C， 此 继 电 器 属 于 小 功 率常开型，密闭式，触电接触电流为 1A， 额 定 电 流 10A， 线 圈 电 源 3V， 满 足 系 统所需。该继电器实物图如图 3.12 所示。图 3.12 继电器 SRD-03VDC-SL-C3.2.4 驱动执行模块使用 stm32 无 法 直 接 驱 动 继 电 器 模 块 ， 故 要 设 计 驱 动 执 行 电 路 来 驱 动 继 电 器 模块， 通过光耦控制 NPN 三极管来控制继电器模块 ， 加入光耦主要是防止单路破 坏 ， 单 光 耦 无 法 直 接 驱 动 继 电 器 随 着 三 极 管 的 次 级 增 益 ， 光 耦 的 动 作 更 加 灵 敏 ， 控 制 更 加 平 滑 。 由 NPN 晶 体 管 驱 动 ， 当 晶 体 管 基 极 为 高 电 平 时 ， 晶 体 管 饱 和 导12通 ， 集 电 极 变 为 低 电 平 ， 继 电 器 线 圈 通 电 ， 触 点 闭 合 ； 当 晶 体 管 基 极 为 低 电 平 时 ， 晶体管关断，继电器线圈断电，触点断开。驱动执行模块电路图如图 3.13 所示。图 3.13 驱 动 执 行 电 路 图 3.2.5 电源模块STM32F103ZET6 以及其他外围电路芯片都是 3.3V 供电，故需要用到 5V 转 3.3V 的 芯 片 ， 为 了 经 济 与 可 靠 性 ， 采 用 AMS1117-3.3V 电源芯片 7， 工 作 结 温 范 围 为 -40125 度 ， 焊 接 温 度 为 （ 25 秒 ） 265 度 ， 此 芯 片 的 焊 接 温 度 低 于 平 常 元 器 件 的 345 度，如不小心使用 345 度焊接，易造成芯片的烧毁，故焊接此芯片时尤为 重 要 。 最 大 输 出 1A 电流，足够给电路板供电，电路图如图 3.14 所示。图 3.14 电 源 模 块 电 路 图 3.2.6 液晶屏显示模块本设计采用 TFTLCD 液晶显示屏 ， TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器， 采用 这 种 液 晶 屏 主 要 是 因 为 其 功 耗 低 ， 体 积 小 ， 承 载 的 信 息 量 大 8。 TFT-LCD 也被叫 做 真 彩 液 晶 显 示 器 。 可 将 机 车 的 运 行 状 态 、 实 时 指 令 等 都 将 显 示 在 液 晶 屏 上 ， 司 机 可 直 观 的 通 过 屏 幕 观 察 到 机 车 的 运 行 状 态 ， 也 可 通 过 触 摸 屏 幕 发 出 指 令 ， 代 替13手柄操纵机车，使司机控制器更加的功能化。液晶显示电路如图 3.15 所示。图 3.15 液 晶 显 示 电 路 图 3.3 本 章 小结本 章 主 要 从 硬 件 方 面 ， 分 析 了 摇 杆 式 控 制 器 的 作 用 ， 绘 制 了 外 形 结 构 的 三 视 图、机加工图，选取了机壳的材料并进行了加工；硬件电路部分从 STM32 的芯片 以及最小系统，从各个模块阐述了硬件电路的设计。144 系 统 软 件 设 计在 硬 件 电 路 的 设 计 基 础 之 上 ， 将 对 系 统 的 软 件 进 行 设 计 ， 软 件 设 计 包 括 逻 辑 控制程序部分与 GUI 界面显示部分， GUI 界面将设计出符合司机习惯的人机交互 界面。4.1 软 件系 统开 发环 境4.1.1Keil MDK5 简介2013 年 10 月 ， Keil 公司正式推出 Keil MDK v5， 该 版 本 使 用 uVision5 IDE 集 成 开 发 环 境 ， 并 且 是 ARM 微 控 制 器 的 最 佳 的 一 款 集 成 开 发 工 具 ， 尤 其 是 ARM Cortex-M 内 核 微 控 制 器 。 其 开 发 流 程 如 图 4.1 所示。图 4.1 开 发 流 程 图 开 发 环 境 包 括 全 功 能 的 源 代 码 编 辑 器 ， 配 置 开 发 工 具 库 ， 创 建 和 管 理 项 目 的 项 目 管 理 器 ， 所 有 工 具 配 置 均 通 过 对 话 框 和 源 级 集 成 模 拟 调 试 器 完 成 ， 包 括 高 速 CPU 和 外 设 模 拟 器 ， Flash 编程工具 下载 Flash ROM 中 的 应 用 程 序 ， 完 成 开 发 辅15助文档，设备数据表和用户指南。开发环境界面图如图 4.2 所示图 4.2 开 发 编 译 环 境 4.2.2 程序下载环境环境简介本设计是以 STM32 为核心涉及的电路， 当程序在 KIEL5 上编译好 之后， 通过 USB 将电脑与电路板连 接， 使用 FlyMcu 编程 器即可一键下载编译 。 编程器下载界 面如图 4.3 所示。图 4.3 下 载 环 境 164.2 系 统 控制 软件程 序4.2.1 系统主函数在本设计采用的嵌入式应用程序中，程序编写语言为 C 语 言 ， main 函数为程 序 的 入 口 ， 同 时 也 是 程 序 的 出 口 。 系 统 程 序 的 运 行 流 程 首 先 是 上 电 打 开 系 统 ， 进 入 主 程 序 ， 系 统 初 始 化 ， LCD 初 始 化 ， SRAM 初 始 化 ， LED 初 始 化 ， 检 测 SD 卡 ， 初始化字库，初始化触摸屏，调用系统配置文件， C OSIII 操作系统初始化， 创 建 任 务 ， 开 启 C OSIII 多任务调度。4.2.2 系统逻辑关系如图 4.4 所示为机车司机控制器的操作逻辑关系图， 主要由两个操作手柄换向及控制手柄组成，主要功能为换向手柄的前进、后退以及 0 指 令 以 及 控 制 手 柄 的 运转及制动指令，当换向手柄处于前进档位时，继电器模块的 1/3/4/5/6/8 将接通， 通过发光二极管则可观察到当前处于前进档位，同理处于后退档位时 2/3/5/7/8 继 电 器 接 通 ， 定 好 机 车 的 方 向 ， 便 可 使 用 控 制 手 柄 对 机 车 进 行 调 速 ， 在 机 械 式 司 机 控制中，操作手柄之间有一种互锁机构，即换向手柄处在 0 位 时 控 制 手 柄 便 被 锁 住不能操作，在本设计中，此功能由程序控制完成实现 9。图 4.4 机 车 触 点 逻 辑 关 系 图 STM32 的 IO 口 众 多 ， 本 设 计 将 合 理 分 配 I/O 口 ， 根 据 设 计 需 求 ， 将 I/O 口具17体分配如表 4.1 所示。表 4.1I/O 口分配表 功 能IO 端 口外设 功能 IO 端 口 外设PG4 前制键 PF1 PF2 编 码 继 电 器PD13 后退键 驱 动 执 行 模 PF3 PF4 编 码 继 电 器换向块 IO 分配PD12 0 键 PF5 PF6 编 码 继 电 器PD11 前进键 PF7 PF8 编 码 继 电 器手柄PG2 后制键（8）PC8 升键 PG6 PG7 编 码 继 电 器PG3 保健 驱 动 执 行 模 PG8 PG1 编 码 继 电 器控制块 IO 分配PG5 0 键 PB10 PB11 编 码 继 电 器PC9 1 键 PF12 PF13 编 码 继 电 器手柄PC12 降键（10）PF14 PF15 编 码 继 电 器4.2.3 系统逻辑关系主程序程 序 在 启 动 后 ， 首 先 对 各 个 模 块 进 行 初 始 化 ， 通 过 摇 杆 式 控 制 器 的 操 作 进 入 换向手柄与控制手柄的子程序，进行数据采集，STM32 检 测 高 电 平 ， 之 后 驱 动 执 行模块，进入系统 GUI 界面的显示，判断系统是否锁住，根据判断执行操作。主 程序流程图如图 4.5 所示。图 4.5 主 程 序 流 程 图 系统初始化开始摇杆式控制器扫描子程序微处理器检测高低电平 驱动执行模块 嵌入式系统 GUI 界面显示Y是否锁住NY 是否解锁N结束184.3 GUI 界 面 的设 计4.3.1C OS 于 stm32 上的运行流程 C OS 是 一 种 实 时 操 作 系 统 ， 这 种 系 统 在 数 据 产 生 时 ， 能 够 以 最 快 的 速 度 进行处理，处理结果