摘 要： 針對(duì)深海鉆機(jī)的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了甲板實(shí)時(shí)操作鉆機(jī)的一款手操器。該手操器由基于STM32F103VCT6微控制器的控制板以及一些外部輸入輸出設(shè)備所組成，其與鉆機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口通信。由于甲板手操器與海底鉆機(jī)距離較長(zhǎng)，且串口傳輸距離有限，因此以光纖傳輸為中繼。
關(guān)鍵詞： 深海鉆機(jī)系統(tǒng)；手操器；STM32；串口通信；光纖傳輸
近些年，我國(guó)加大了對(duì)海洋科考和探測(cè)的力度。探測(cè)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的大陸架淺海海底埋藏著非常豐富的石油、天然氣以及煤、硫、磷等礦產(chǎn)資源，并且在多數(shù)海盆中廣泛分布著深海錳結(jié)核，它們都是擁有巨大潛力的可利用金屬礦產(chǎn)資源[1]。深海鉆機(jī)是我國(guó)大洋探測(cè)地質(zhì)的重要工具之一，它可以探取幾千米深海海底數(shù)十米以下的地質(zhì)樣品，為地質(zhì)學(xué)家、物理學(xué)家的研究工作提供樣品。但是深海鉆機(jī)的操作使用并不方便，傳統(tǒng)的上位機(jī)常常用鼠標(biāo)操作，海面上不確定的風(fēng)浪導(dǎo)致船體搖晃、甲板不穩(wěn)，并且上位機(jī)一般都在船艙內(nèi)，這樣往往造成操作人員不能直觀地看到鉆機(jī)平臺(tái)的工作情況，這給鉆機(jī)的操作帶來(lái)不便，有時(shí)更可能產(chǎn)生操作失誤；再加上鉆機(jī)的操作進(jìn)程較為繁瑣，一次作業(yè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十個(gè)小時(shí)，操作人員壓力巨大。如果操作過(guò)程中有失誤并且無(wú)法及時(shí)停止工作，會(huì)對(duì)鉆機(jī)造成傷害。此外，一套手操器只針對(duì)一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)造成設(shè)備的重復(fù)和浪費(fèi)。本文介紹的基于STM32的甲板手操器系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合的多種器械的手動(dòng)控制，并且可以降低計(jì)算機(jī)操作產(chǎn)生的錯(cuò)誤率。
1 系統(tǒng)工作原理
甲板手操器的工作模擬圖如圖1所示。甲板手操器系統(tǒng)包括操作控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。甲板鉆機(jī)操作人員參考監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)鉆機(jī)執(zhí)行既定的操作，單片機(jī)判斷執(zhí)行的按鍵、搖桿發(fā)出相應(yīng)的指令，指令將顯示在液晶屏上并通過(guò)光端機(jī)經(jīng)光纜發(fā)送至水下鉆機(jī)執(zhí)行作業(yè)。鉆機(jī)操作將全部存入手操器的SD卡日志存檔中。
2 系統(tǒng)硬件描述
2.1系統(tǒng)核心板
由于核心板需要實(shí)現(xiàn)4路A/D采樣、90余個(gè)掃描按鍵輸入、TFT顯示屏輸出和SD卡的存取，并且需要足夠大的Flash來(lái)存放90余個(gè)按鍵輸出的控制量及其延時(shí)，故手操器的核心板選擇了ST公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6微控制器（MCU）。該芯片有高達(dá)72 MHz的主頻，并且內(nèi)置256 KB的Flash，多路的A/D轉(zhuǎn)換，USART通信來(lái)滿足手操器與海底主控系統(tǒng)的通信，且滿足多按鍵、大容量、高速度的需求。手操器核心板結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2.2 SD卡工作方式
STM32與SD卡之間的通信方式有SDIO和SPI兩種。由于對(duì)速度要求不是特別高，因此相互對(duì)比下最終使用了SPI方式。STM32提供了3個(gè)SPI接口，所以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置就可以直接使用SPI功能外設(shè)模塊，如果沒(méi)有SPI功能，則需要用軟件模擬SPI協(xié)議。
SPI總線系統(tǒng)是一種高速同步的串行外設(shè)接口，它可以使MCU和各種外圍設(shè)備以串行的方式進(jìn)行通信交換信息。它可以節(jié)省I/O端口，以提高外設(shè)的數(shù)目和系統(tǒng)的性能。SPI接口是在CPU與外圍低速器件之間進(jìn)行同步、串行傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位來(lái)傳輸，SPI接口不需要尋址操作，并且為全雙工通信，顯得十分簡(jiǎn)單高效，而且速度可達(dá)到幾Mb/s[2]。
SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件，其接口包括以下4種信號(hào)：MOSI主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入；MISO主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出；SCLK時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生；CS片選信號(hào)，由主器件控制。
STM32F103VCT6有3個(gè)SPI通道，本設(shè)計(jì)中選用了SPI1作為SD卡的通信接口，其引腳連接如圖3所示。其中卡檢測(cè)電路包括兩部分：（1）卡是否完全插入到卡座中；（2）卡是否寫(xiě)保護(hù)。其檢測(cè)信號(hào)由卡座的兩個(gè)引腳以電平的方式輸出。當(dāng)卡插入到卡座并且插入到位時(shí)，圖3中的第11腳由于卡座內(nèi)部觸點(diǎn)連接到接地，故輸出低電平；當(dāng)卡拔出時(shí)，該引腳由于上拉電阻R12的存在，輸出高電平。卡是否寫(xiě)保護(hù)的檢測(cè)同檢測(cè)卡是否完全插入的原理基本相同。為了方便文件和數(shù)據(jù)的存取以及在PC上的修改與讀取，本設(shè)計(jì)還在STM32中移植了FATFS文件系統(tǒng)[3]。
2.3 液晶顯示屏
本設(shè)計(jì)中LCD屏選擇TFT-LCD24TP，LCD控制芯片選擇為ILI9325。因?yàn)橛布呀?jīng)固化好，所以ILI9325必須采用SPI的接口。本設(shè)計(jì)中SD卡占用了STM32的SPI1接口，所以顯示屏接口就選SPI2。
其中時(shí)鐘信號(hào)的相位與極性是很重要的，它決定了輸出信號(hào)捕捉到的數(shù)據(jù)是從第幾個(gè)開(kāi)始生效的。主要是時(shí)鐘相位設(shè)置，當(dāng)CPHA位被置“1”時(shí)，SCK在第二個(gè)邊沿進(jìn)行采樣；如果已經(jīng)設(shè)置了在第二個(gè)邊沿采樣，第一個(gè)有效數(shù)據(jù)很有可能會(huì)丟掉，故一定要確定是否是第一位數(shù)據(jù)有效。這樣，數(shù)據(jù)會(huì)在第二個(gè)時(shí)鐘的邊沿被鎖存[4]。如果CPHA被置位為“0”，那么SCK在第一個(gè)邊沿被采樣，數(shù)據(jù)會(huì)在第一個(gè)時(shí)鐘被鎖存。不同時(shí)鐘相位下的總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖4、圖5所示。
顯示屏的成品模塊為34針插口，PB10為片選信號(hào)輸入，PB13、PB14和PB15分別為SPI2對(duì)應(yīng)的SCLK、MISO和MOSI。
2.4 按鍵掃描方式
考慮到按鍵較多，且要便于擴(kuò)展使用，故按鍵的采集方式采用了矩陣掃描的方式，此方式能最大程度地利用I/O口。本設(shè)計(jì)采用的是13×8的矩陣，首先將I/O口PD0~PD12設(shè)為矩陣的13行，模式為推挽輸出；將I/O口PE1~PE8設(shè)置為矩陣的8列，模式為下拉輸入。
PD0~PD12端口輸出寄存器ODR置“1”，各個(gè)端口逐行產(chǎn)生高電平，接著檢測(cè)PE1~PE8的端口輸入寄存器IDR。如果檢測(cè)到非“0”位，經(jīng)過(guò)延時(shí)排除按鍵抖動(dòng)后繼續(xù)檢測(cè)；如果依然存在非“0”位，則進(jìn)行按鍵值的判斷；如果經(jīng)過(guò)延時(shí)后沒(méi)有檢測(cè)到IDR寄存器中有非“0”存在，則返回。
2.5 搖桿輸入
此手操器設(shè)計(jì)為兩個(gè)搖桿輸入，搖桿選擇為二維雙軸輸入。主要原理為搖桿在縱軸與橫軸上的位移導(dǎo)致兩邊的電位器變化，從而產(chǎn)生不同的輸出電壓。搖桿的工程圖如圖6所示。
使用時(shí)，將電位器接入電源（電源電壓為0~3 V之間，否則可能燒毀MCU），電位器中間的輸出引腳分別接至單片機(jī)的I/O口。上電控制搖桿時(shí)，兩側(cè)的兩個(gè)電位器會(huì)產(chǎn)生不同的電壓值，電壓值由I/O口采集到STM32的A/D處理器計(jì)算出相應(yīng)的電壓值。根據(jù)兩個(gè)電位器的電壓值來(lái)判定。
STM32F103擁有3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，其既可以獨(dú)立使用，也可以采用雙重模式來(lái)使用，這樣可以提高采樣頻率。它有18個(gè)通道來(lái)測(cè)量16個(gè)外部信號(hào)源和兩個(gè)內(nèi)部的信號(hào)源。在A/D時(shí)鐘為14 MHz，采樣周期為1.5個(gè)A/D時(shí)鐘時(shí)，其最大的轉(zhuǎn)換速率為1 MHz，當(dāng)A/D時(shí)鐘超過(guò)14 MHz時(shí)準(zhǔn)確度將下降[5]。故配置RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div4）。
時(shí)間設(shè)置：ADC_SampleTime_55Cycles5
根據(jù)公式：T=T采樣+12.5個(gè)周期，則T=55.5+12.5個(gè)周期=68/14 ?滋s。
2.6 光纖通信系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)由電端機(jī)、光發(fā)送機(jī)、光中繼器、光接收機(jī)和光纖光纜組成，其框圖如圖7所示。
電端機(jī)是一般的電通信設(shè)備，用來(lái)處理如模數(shù)變換、多路復(fù)用等電源信號(hào)。光發(fā)送機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。它的功能是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸，其轉(zhuǎn)換過(guò)程是由電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制來(lái)完成的。光纖纜作為整條通信的線路，其功能為將光發(fā)送機(jī)的光信號(hào)傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)，并且產(chǎn)生盡可能小的失真衰減。
在應(yīng)用中所用的是鎧裝光纜，由多根光纖合并而成并且外面由金屬套管包裹。
由于甲板與海底鉆機(jī)的通信距離非常長(zhǎng)，信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，即便載體是光纖也會(huì)產(chǎn)生衰減，故在傳輸過(guò)程中要將信號(hào)進(jìn)行整形、放大以生成一定強(qiáng)度的信號(hào)繼續(xù)傳輸來(lái)保證通信質(zhì)量，所以必須使用中繼器。
光接收機(jī)由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成，它把從光纖傳輸產(chǎn)生失真和衰減的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的處理（整形、放大等）后，恢復(fù)成甲板串口發(fā)送的電信號(hào)。
3 系統(tǒng)軟件描述
3.1手操器核心板程序流程
系統(tǒng)上電之后，立即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，MCU初始化時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO、A/D轉(zhuǎn)換以及各函數(shù)。初始化完成后，對(duì)LCD進(jìn)行清屏并在SD卡中開(kāi)辟工作區(qū)，判斷SD卡剩余空間并在屏幕上顯示，按規(guī)則讀取SD卡指定指令文件夾中的內(nèi)容，以設(shè)定的規(guī)則載到STM32的Flash中，關(guān)閉工作區(qū)。重新開(kāi)辟一個(gè)工作區(qū)并新建一個(gè)文件，判斷按鍵輸入及搖桿的A/D采樣結(jié)果，判斷其對(duì)應(yīng)的指令并通過(guò)串口輸出，同時(shí)將指令顯示于屏幕上，并將操作動(dòng)作存入新建的文件中。系統(tǒng)的流程圖如圖8所示。
本設(shè)計(jì)的主要程序主要可以分為以下幾個(gè)部分：程序開(kāi)始與系統(tǒng)初始化，LCD屏的顯示；SD卡的存儲(chǔ)與讀取；搖桿輸入電壓值的A/D轉(zhuǎn)換以及按鍵的掃描與判斷。
3.2 通信協(xié)議
甲板手操器向下位機(jī)發(fā)送指令的數(shù)據(jù)是以幀的格式發(fā)送的。幀的格式為@XX；nn，bb；\r\n。其中，“@”是幀頭；“XX”代表操作類型，有“BC”、“BS”、“BT”、“RS”等，分別代表“關(guān)閉繼電器”、“打開(kāi)繼電器”、“心跳信號(hào)”、“復(fù)位信號(hào)”；“nn”是下位機(jī)主板卡號(hào)，從01~02；“bb”是下位機(jī)主板的繼電器序號(hào)，從01~24。操作類型與下位機(jī)主板卡號(hào)間用“；”分隔，下位機(jī)主板卡號(hào)與繼電器序號(hào)用“，”分隔，繼電器序號(hào)與回車(chē)換行符之間用“；”分隔。
通常情況下一條操作指令至少包含兩幀數(shù)據(jù)，兩幀之間軟件完成一個(gè)時(shí)延。兩個(gè)特殊的指令為：（1）心跳信號(hào)@BT；\r\n；（2）系統(tǒng)復(fù)位@RS；\r\n。
4 信號(hào)穩(wěn)定性檢測(cè)
將SD卡插入PC，在卡中新建一個(gè)TXT文件，文件名為“指令配置”，此文檔中寫(xiě)入鉆機(jī)指令，格式如表1所示。
一行代表一個(gè)按鍵按下時(shí)所要發(fā)送的指令，最前面的序號(hào)用于按鍵的判別，不在發(fā)送內(nèi)容之中。每串指令都由兩條以上組成，兩條指令之間為延時(shí)的時(shí)間數(shù)值，每條指令以及兩條指令之間的延時(shí)時(shí)間都以冒號(hào)結(jié)尾。當(dāng)SD卡插入單片機(jī)并上電后，單片機(jī)軟件自動(dòng)識(shí)別。
將手操器板子通過(guò)串口線與PC連接，配置板子在PC上的串口為COM7，設(shè)置波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。
系統(tǒng)上電之后，用串口調(diào)試助手截獲的信息進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè)，計(jì)算50個(gè)按鍵串口丟包次數(shù)與亂碼幀數(shù)，其結(jié)果如表2所示。
第一次測(cè)試時(shí)可能由于SD卡與卡槽之間有氧化層導(dǎo)致接觸不是十分良好，誤碼率較高。重新插拔去除氧化層重新測(cè)試后4組結(jié)果在接受范圍內(nèi)。
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