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在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)常需要對多種飼料按科學(xué)的比例進行配料而在大型牧場若采用傳統(tǒng)的人工稱量配料會耗費大量的時間近年來隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展為了提高養(yǎng)殖效能許多畜牧養(yǎng)殖場對精準(zhǔn)車載配料系統(tǒng)的需求越來越多[1]將配料稱重顯示儀配備在飼養(yǎng)車上可以在飼養(yǎng)車輛行進過程中邊配料邊喂養(yǎng)從而節(jié)省很多時間為此要求配料稱重儀表具有高的可靠性和高的配料精度在此選用ARM單片機STM32F407設(shè)計了一款能夠在飼養(yǎng)車行進中輸出精準(zhǔn)重量的車載配料稱重顯示儀。

1車載配料稱重顯示儀硬件設(shè)計
STM32F407單片機是ST公司基于ARMCor鄄texM4內(nèi)核的微控制器主頻可達168MHz片內(nèi)集成了先進的外設(shè)其可配置的GPIO多達114個通訊接口有15種院I2CSPI串行接口CAN接口外存接口等內(nèi)部的Flash存儲器可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲[2]故在此選用STM32F407作為控制核心用于接收來自內(nèi)置信號采集模塊或外置數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)檢測儀表按鍵組的狀態(tài)實現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置工作模式的設(shè)置多界面的切換并驅(qū)動5位數(shù)碼管顯示。
該儀表結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示STM32F407通過CAN總線接收重量數(shù)據(jù)通過按鍵組接收用戶的操作信號其片內(nèi)Flash用于存儲儀表參數(shù)LED數(shù)碼管用于重量顯示及狀態(tài)提示聲光提醒模塊用于配料提醒及故障提醒485接口用于驅(qū)動點陣式LED大顯示屏USART接口可用于程序升級WiFi模塊可用于與管理平臺通訊。

儀表內(nèi)置的信號采集模塊用于采集處理模擬傳感器的信號其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示包含信號調(diào)理電路AD轉(zhuǎn)換電路MCU處理及CAN接口電路信號調(diào)理電路將模擬傳感器的mV級信號進行調(diào)理放大AD轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理放大后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出給采集模塊MCU進行處理該MCU將此數(shù)字值轉(zhuǎn)換成重量值通過CAN接口傳輸給STM32F407。

若儀表外采用數(shù)字傳感器則不需要信號采集模塊的處理STM32F407通過CAN接口接收數(shù)據(jù)即可CAN收發(fā)器的電路原理如圖3所示

電源調(diào)理模塊用于給儀表內(nèi)各模塊及元器件供電采用GPIO端口接收來自按鍵組的用戶操作信號按鍵組含有1個電源開關(guān)鍵5個功能鍵其中電源開關(guān)鍵可實現(xiàn)儀表的一鍵開關(guān)機功能鍵可單獨使用也可組合使用用于儀表參數(shù)設(shè)置標(biāo)定稱重模式設(shè)置多界面的切換及各流程的狀態(tài)切換等采用GPIO端口輸出開關(guān)量信號驅(qū)動聲光提醒模塊用于在配料過程中配料重量接近設(shè)置范圍時給配料人員提供聲音提示或燈光提醒當(dāng)儀表出現(xiàn)故障時STM32F407也會驅(qū)動聲光報警。
STM32F407通過SPI接口控制LED顯示驅(qū)動芯片驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示用于顯示稱重模式下的重量同時在各界面的流程控制中進行相應(yīng)狀態(tài)提示。
儀表的485接口電路用于STM32F407與點陣式LED大顯示屏的通訊通過大顯示屏顯示相關(guān)信息
USART接口用于ISP程序升級
WiFi模塊可用于將重量上傳至系統(tǒng)管理平臺管理平臺也可向儀表發(fā)送廣播信息等當(dāng)儀表檢測到故障時可將故障碼通過WiFi發(fā)送至平臺。
2軟件設(shè)計
2.1總體流程
總體流程如圖4所示儀表在上電對各外設(shè)初始化后讀出Flash內(nèi)的參數(shù)并使能一鍵開關(guān)機電路的電源驅(qū)動通過CAN接口讀取采集模塊的關(guān)鍵參數(shù)然后進入主界面稱重界面顯示重量超載等信息同時開啟定時器中斷CAN中斷在定時器中斷中每250ms發(fā)送1次讀取采集模塊重量的CAN指令在CAN中斷中接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)開啟各按鍵端口的外部中斷在外部中斷中對按下的功能鍵進行消抖消抖后對按鍵標(biāo)志置1此時STM32F407結(jié)合功能鍵的狀態(tài)執(zhí)行功能操作或狀態(tài)切換并進行各狀態(tài)下的顯示若檢測到開關(guān)機鍵長按下則斷電關(guān)機若未檢測到開關(guān)機鍵按下則在各界面一直循環(huán)下去。
在稱重界面下模式0或模式1時結(jié)合Flash存儲的參數(shù)對重量修正將重量超載等信息進行顯示并結(jié)合功能鍵執(zhí)行相應(yīng)的功能操作或狀態(tài)切換也可由功能鍵進入設(shè)置界面，在設(shè)置界面下可進入多參數(shù)設(shè)置滿程目標(biāo)值設(shè)置標(biāo)定修正設(shè)定超載門限設(shè)定工作模式，設(shè)定稱重單位設(shè)定等二級界面首先進入菜單選擇界面此時結(jié)合按鍵可進行二級界面的選擇在各二級界面下可結(jié)合功能鍵執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)切換也可由功能鍵退出設(shè)置界面進入稱重界面同時在各界面流程控制中驅(qū)動數(shù)碼管進行實時狀態(tài)顯示。

2.2CAN接口編程
由于CAN總線具有可靠性高功能完善成本較低等諸多優(yōu)點目前已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)工業(yè)控制等領(lǐng)域[3]考慮到其具有可靠的錯誤檢測和出錯處理功能在此采用CAN接口實現(xiàn)STM32F407與采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸波特率采用500kb/s
CAN2接口發(fā)送1幀數(shù)據(jù)的程序代碼如下

另外在數(shù)據(jù)幀中均增加了校驗數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)幀進行解析時按照約定的格式計算校驗值若該校驗結(jié)果與數(shù)據(jù)幀中的校驗數(shù)據(jù)一致則做出相應(yīng)的回復(fù)或處理否則不予處理。
數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)約定格式見表1其中含有幀頭幀尾數(shù)據(jù)校驗等信息。
2.3流程控制操作錯誤保護
在各一級界面二級界面的流程控制中各狀態(tài)的切換以輸入條件和當(dāng)前狀態(tài)為依據(jù)輸入條件主要是各功能鍵的狀態(tài)另外在不同界面中還包括其他對應(yīng)條件
具體工作過程為院判斷當(dāng)前外界輸入條件是否滿足當(dāng)前界面當(dāng)前狀態(tài)下的輸入條件若滿足則狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一狀態(tài)否則停留在當(dāng)前狀態(tài)。

2.4參數(shù)存儲保護
為防止Flash內(nèi)部的參數(shù)丟失采用備份的方式將數(shù)據(jù)分別存儲于2個不同的扇區(qū)。
在對參數(shù)進行存儲時首先對待存儲數(shù)據(jù)進行CRC16校驗將數(shù)據(jù)和校驗值存入后再將數(shù)據(jù)讀出進行CRC16校驗將計算所得校驗值與讀出的校驗值進行比對若相等說明存儲正確否則將再次存儲原始參數(shù)重復(fù)以上步驟重復(fù)存儲3次仍不能正確存儲則顯示野Err冶提示。
在每次讀取時先讀出存儲扇區(qū)的數(shù)據(jù)進行CRC16校驗若計算所得校驗值與讀出的校驗值相等說明參數(shù)正確否則參數(shù)錯誤則將備份扇區(qū)的數(shù)據(jù)讀出進行判斷若參數(shù)正確則采用該備份數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)再次存儲若參數(shù)仍錯誤則采用程序中預(yù)先定義的數(shù)組[4]中的出廠默認(rèn)參數(shù)。
3測試試驗
3.1采集精度測試
該儀表在正式使用前分別接模擬傳感器比率校準(zhǔn)器進行全面的精度測試試驗結(jié)果見表2在常溫下信號源為模擬傳感器時系統(tǒng)綜合精度為2.2伊10-4在-30耀70益溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)綜合精度為5伊10-4完全可滿足牧場配料的精度要求。

3.2振動試驗
在振動試驗機上采用表3所列的振動頻率功率譜密度和加速度進行32h的振動停止后儀表仍能正常工作表明振動對儀表性能無明顯影響。

4結(jié)語
采用單片機STM32F407實現(xiàn)儀表的多界面流程控制和CAN通訊采集不僅具有較高的可靠性而且編程采用標(biāo)準(zhǔn)C語言便于程序的修改與優(yōu)化所設(shè)計的畜牧車配料稱重儀表具有可靠性高可操作性強配料精度高等優(yōu)點該設(shè)備操作方便實現(xiàn)了人機對話目前已在河南某牧場中投入使用經(jīng)試驗證明院該儀表工作穩(wěn)定可以滿足牧場配料控制的要求。

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