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摘要：为解决原专利产品“晶闸管功率组件”装置不能实现人机对话功能、实时监测与动态显示功能等问题，选用STM32F407VET6单片机作为主控单片机，使用单片机内部AD片上外设完成对装置主输出脉冲信号的AD转换。基于USART-HMI可编程智能串口屏的人机交互显示模组与主控CPU建立通信。主控CPU通过向串口屏发送AT指令调用屏内部按钮控件、进度条控件、文本控件、指针控件等组态控件驱动串口屏显示主控CPU串口发送过来的波形数据。实践表明该波形监测器能实时对“晶闸管功率组件”装置输出的脉冲信号完成监测与显示。
关键词：晶闸管功率组件；USART-HMI；嵌入式单片机；A/D
Based on USART_ Waveform Monitoring Design of Thyristor Power Module Based on HMI Intelligent Serial Port Screen
Zhou Zexiang1，Feng Bohan1，Ouyang Mingxing1，Xu Yunwu1，Yang Yi1，Li Shaoyang2，Lin Dun2
(1.Guangdong Songshan Vocational and Technical College,Shaoguan,Guangdong 512126,China;2.Shaoguan Chaoli Automatic Electrical Equipment Co.,Ltd.,Shaoguan,Guangdong 512000,China)
Abstract:In order to solve the problem that the original patent product"Thyristor power module"device could not realize the functions of man-machine dialogue,real-time monitoring and dynamic display,the STM32F407VET6 single-chip microcomputer was selected as the main control single-chip microcomputer.The AD conversion of the main output pulse signal of the device was accomplished by using the external device on the AD chip inside the MCU.The communication was based on the human-computer interaction display module and the main control CPU based on USART-HMI programmable intelligent serial port screen.The main control CPU sent AT command to the serial port screen to call the internal button control,progress bar control,text control,pointer control and other configuration controls drive the serial port screen to display the waveform data sent by the main control CPU serial port.The practice shows that the waveform monitor can monitor and display the output pulse signal of thyristor power module in real time.
Key words:thyristor power module;USART-HMI;embedded MCU;A/D
0引言
原专利产品《晶闸管功率组件》[1]，近年来虽有稳定销售市场，但因其属早期技术开发的模拟电流控制调节器，在未来产品竞争中将会逐年失去影响力。刘寺杰等[2]基于HMI智能串口屏显示的温湿度测量系统实现了温度曲线在串口屏上的动态显示；李梁京等[3]基于USART_HMI的空气质量测量系统的设计实现了空气质量参数在串口屏上仪表方式显示；王超等[4]基于单片机数模转换电路的设计与分析与陈恒江等[5]基于STM32F429的AD静态参数自动测试系统均通过对单片机内部AD转换器件编程实现了对输入信号的模数转换。综合以上研究本文运用嵌入式单片机技术、USART_HMI智能串口屏显示技术、ADC模数转换技术等对某企业的专利产品晶闸管功率组件装置的输出信号进行实时监测与参数显示以此提高产品市场竞争力。本文研究主要内容包括：对晶闸管功率组件输出的被测量信号调理；单片机对被测量信号运算处理；被测量信号实时监测与显示。
1硬件电路设计
1.1晶闸管功率组件信号测量嵌入式系统设计
晶闸管功率组件输出信号实时监测与显示系统框图设计如图1所示。晶闸管功率组件输出的关键信号(如触发脉)首先经过信号调理电路将双极性信号转换成单极性信号[6]，然后顺向输入到ADC转换电路完成模拟信号到数字信号的转换(本文ADC转换使用STM32F407VET6内置片上外设完成[7])，然后由单片机对数字信号进行运算处理得到被测量信号频率与幅值参数，最后将信号参数输出到USART_HMI智能串口屏[8]实现实时监测与显示。
1.2信号调理电路设计及仿真
为了实时监测晶闸管功率组件装置输出信号，经变压器降压取样得到3 V取样电压。此信号为双极性信号，需要将双极性信号转换成单极信号才能接入到嵌入式单片机片上外设通道完成A/D转换。信号调理仿真电路设计如图2所示。
U1为电压跟随器，使输入、输出信号幅值保持不变，且输入阻抗高、输出阻抗低，起到现场信号与系统隔离、互不干扰的作用；U2为电压偏置电路其同向输入端接2.5 V直流偏置，U1输出的V01交流信号叠加在2.5 V直流电源之上抬高了U2+的输入电压，从而同步抬高了U2的中点输出电压达到了双极性信号转单极性的目的。该电路可实现-1.25~+1.25 V到0~2.5 V的极性转换，计算过程如下：
采用Multisim[9]软件对该信号调理电路进行仿真验证结果如图3所示，示波器双输入通道的模式均为“DC挡位”，从而示波器显示的波形信号为“交直流量”总和，从图3中可明确看出调理后的信号上升到“0点”之上，成功转换成了单极性信号。
1.3频率测量电路设计及仿真
为了实时测量晶闸管功率组件装置触发脉冲的输出频率。采用NE555时钟器件设计一个施密特触发器如图4所示。首先将晶闸管功率组件装置输出的信号接入施密特触发器进行触发整形转换为与输入信号同频同相的方波，然后将该方波信号接入STM32F407VET6片上外设定时器(TIM)[10]，通过对定时器软件编程完成对输入信号频率测量。施密特触发器对输入波形整形仿真结果如图5所示，结论与理论设计相符。
1.4主控单片机选型
目前ST主流嵌入式单片机片上外设丰富，利用其TIM外设可方便地完成对信号的频率进行测量；利用A/D外设，可方便完成模数转换。ST公司基于ARM内核在keil软件平台上构建了ST系列单片机片上外设硬件库函数，为C语言便捷编程提供丰富函数。因此本文选用STM32F407VET6做为主控单片机。其最小系统如图6所示。
1.5片上A/D转换电路
STM32F407VET6A/D是12位ADC是逐次趋近型模数转换器。它具有多达19个复用通道，可测量来自16个外部源、两个内部源和VBAT通道的信号。这些通道的A/D转换可在单次、连续、扫描或不连续采样模式下进行。ADC的结果存储在一个左对齐或右对齐的16位数据寄存器[11]。A/D硬件电路设计如图6所示，晶闸管功率组件装置输出的触发脉冲从STM32F407VET6 PA5(ADC1)输入。
借助keil软件调用ST公司STM32F4系统库函数完成A/D片上外设软件编程，步骤如下：(1)开启PA口时钟和ADC时钟，设置PA1为模拟输入；(2)复位ADC并设置分频因子；(3)初始化ADC，设置ADC的工作模式、规则序列等；(4)使能A/D转换器和校准设置；(5)读取ADC值。1.6片上TIM转换电路使用STM32F407VET6定时实现输入法信号的脉冲宽度测量，通过软件得到信号的频率与周期。调用ST公司STM32F4系统库函数完成TIM片上外设软件编程，步骤如下：(1)时钟使能；(2)配置预分频、自动重装值和重复计数值；(3)清除中断标志位；(4)使能TIM中断，选择中断源；(5)设置中断优先级；(6)使能TIM外设。
1.7串口屏硬件电路设计
USART-HMI“人机交互显示方案”和“串口人机交互显示模组[12](USART-HMI Display Module)在嵌入式领域得到了广泛的使用。USART-HMI智能串口屏采用DC5V供电，通过串口通信与CPU主控模块连接。此串口屏的内部功能强大，具有多种组态控件：按钮控件、进度条控件、文本控件、指针控件等。首先，在运行中MCU通过串口指令改变控件的属性就可以改变屏幕上显示的内容，例如可通过串口发送或写入数据对页面ID、字符内容、文本控件属性等进行修改；其次，此串口屏不占用太多CPU资源，因为大多数需要界面显示的内容是通过屏幕本身的处理器实现的，因此MCU只用发送指令，而不需要编写相关的驱动程序；再次，屏幕厂家提供的上位机软件简单易用，通过图形化的方式就可以对人机界面的布局和大多数的逻辑(比如界面背景，按钮效果，文本显示等)进行设置通过USART-HMI软件可高效便捷实现多应用领域下的人机交互显示方案编程十分便捷和高效。HMI智能串口屏通过串口中断收、发数据，实时性强，且不会因为刷新界面而产生数据丢包等问题。如图7所示该模组采用串口通信，其简洁的硬件电路设计，节约大量单片机I/O资源。
2可编程串口屏软件设计流程
本文采用USARTHMI软件，使用AT指令，依据流程图8设计了如图9所示的开机启动动感页面；波形数量实时显示页面；电压、电流仪显示页。
3系统测试结果
经过软件编程hex文件下载，通过信号发生器为样机输入50 Hz、1 VPP方波(占控比可调)。图10所示为本文研制样品机监测的方波显示信号。在今后的研究过程中还需要进一步完善信号频率与幅度值的显示。
4结束语
本文提出基于USART_HMI智能串口屏实现晶闸管功率组件波形实时监测显示方案。借助Multisim和proteus软件仿真完成外围信号调理电路硬件电路设计。通过对STM32F407VET6单机片与USART-HM液晶编程可靠实现了对晶闸管功率组件原装置进行人机交互及波形实时监测显示功能升级。样机试制较原产品功能得到极大提升，串口液晶屏实现了开机动画显示。人机交互对话导航良好，实时监测波形与数据显示清晰，样机满足企业功能需求。
参考文献：
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