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电动滑台模组WiFi无线控制器

发布日期:2020-04-17

作者:陈虹 孙玉国


:针对传统电动滑台模组控制系统无法实现远程集中控制管理以及运动状态信息不能有效保存等问题,本文结合单片机技术与C#多线程技术设计了一款电动滑台模组WiFi无线控制器 。给出了控制器的硬件架构以及多线程流程图,并进行了测试实验。实验结果表明:该系统能够有效实现远程控制多台电动滑台模组的运行速度、方向及启停,且能保存详细的滑台运动状态信息。


  由步进电机或伺服电机驱动的电动滑台模组在精密仪器,医疗器械和半导体加工等诸多领域有广泛的应用。目前,电动滑台模组与其控制器(多为IPCPLC)之间多采用RS-485或CAN总线等模式的有线连接。如何在人员不宜频繁进入的场合 (譬如超净加工车间,有粉尘有害物质辐射的场所等)对电动滑台模组的启停、转向进行可靠的无线遥控是一个值得研究的课题。


  针对上述问题,本文设计了一款电动滑台模组WiFi无线控制系统。该控制系统选用STC15W4K56S4微处理器作为主控芯片,服务器软件是在VS2010平台下使用C#语言编写而成,采用多线程编程实现多台电动滑台的控制。当通讯连接成功时,通过服务器选择某一电动滑台模组并发出控制指令,WiFi 模块ESP8266在接收到控制指令后,立即将指令传送给MCU控制器,MCU控制器通过控制步进电机实现丝杠滑台的

移向与启停。

滑台模组

2 无线控制系统架构

  控制系统框架如图1所示,控制系统包括单STC15微控制器,WiFi无线通信模块以及PC机控制软件。微控制器与PC机的无线通信通过套接字Socket编程来实现,通过WiFi网络将运动控制指令传送到微控制器。最终,微控制器输出脉冲信号与方向控制信号给M415B驱动器实现电动滑台模组的运动控制。其中,WiFi无线通信模块选用ESP8266芯片,ESP8266芯片具有低功耗、自组网以及支持AP、STAAP+STA共存模式的特点;PC机控制软件采用C#语言多线程技术编写,可对多台电动滑台模组进行无线遥控;步进电机驱动器M415B可以实现64细分以降低电机运行时的振动,采用光耦隔离技术可增强其抗干扰能力。

滑台模组


  电机、驱动器、控制器及WiFi模块的管脚连线如图2所示:光电开关的输出引脚与STC15的外部中断P3.0引脚相连,中断捕捉设置为上升沿捕获。当PC机与MCU通过WiFi连接成功, 系统进入低功耗等待状态,当接收到“正转”指令,STC15管脚P2.2=1P2.6=0;当接收到“反转”指令,STC15管脚P2.2=1P2.6=1

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

  客户端上电瞬间,程序先进行初始化,包括端口模式初始化,定时器0各项参数设置,串口2选择定时器2为波特率发生器等,ESP8266连接至路由器和服务器后,等待接收上位机发送的指令,根据相应的指令将单片机的相应输出引脚进行设置,从而控制电动滑台运行速度,方向和启停。下位机软件设计流程图如图3所示。

模组滑台


3.2 Socket编程原理和实现

  通过套接字(Socket),来区分不同应用程序进程间的网络通信和连接,实现分布在不同主机的相关进程之间的数据交换。根据不同的底层协议,可以区分有TCP和UDP协议簇的方式,本次传输层协议采用的是TCP/IP协议,该协议的特点主要体现在以下几方面。

(1)是面向连接的;

2)提供IP环境下的可靠数据传输(保证数据正确性,保证数据顺序)

3)常用于传输大量数据 (流模式)。而UDP协议是面向非连接的,传输不可靠,常用于传输少量数据(数据包模式)。为了数据传输的可靠性,故选用TCP/IP协议。


  C#中System.Net.Sockets命名空间下的TcpListener类,这个类封装了底层的套接字,而且还分别提供了对Socket进行封装后的同步和异步的方法。该控制系统若使用异步操作,主线程和方法线程能同时执行,它们的执行 是并行的 ,速度将大大提升 。 此 外 ,.NET 框 架 还 提供了一种称为AsyncCallback(异步回调)的委托,此种委托能够启动异步的功能。因该系统需控制多台电动滑台模组,当电动滑台模组的滑块移至两端,下位机发送相应消息,下位机数量越多,发送 的消息越 有可能并发进行,鉴于此,使用C#中的异步回调就显得更为方便,而且无需额外的线程负担。


  在TCP/IP网络应用中,通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式。将该控制系统的上位机作为服务器端,下位机设置为客户端。调用TcpListener类来监听和接收是否有传入的连接请求。

  此次Socket编程部分主要涉及到的函数括:

TcpListener (IPEndPoin tiep);用于在指定的IP (192.168.1.200) 地址与端口(11000)监听客户端连接请求。

TcpListener.BeginAcceptSocket(AsyncCallback,Object);

用于开始一个异步操作来接收一个传入的连接请求;

Socket.BeginReceive(Byte[],Int32,Int32,SocketFlags,AsyncCallback,Object);

用于开始从连接的Socket中异步接受数据;

Socket.BeginSend(Byte[], Int32, Int32, SocketFlags,AsyncCallback, Object);

用于将数据异步发送到连接的Socket;

Socket.Shutdown(SocketShutdown.Both)

在套接字Socket上既停止发送也停止接收;

Socket.Close();

关闭Socket连接并释放所有关联的资源;

还使用了一些以End开头,与Begin开头的方法相对应的函数,这些方法都是成对出现的,从而能避免网络通信中的阻塞现象发生。


3.3 上位机软件设计

  使用C#语言来进行上位机的编写,程序运行时,首先出现一个登录界面。当在文本框里输入的用户名和密码在数据库中有相匹配的信息时,登录成功,进入控制各个电动滑台模组的界面,提高控制系统的安全性与保密性!


  界面根据Socket原理设计而成。初始化界面时,缺省设置上位机服务器启动监听,本地主机地址和监听端口自动显示。由TcpListener. Start(Int32)函数,可设计在界面手动输入允许的客户端数量。统一通电,则各个电动滑台模组皆可和服务器通信成功。选择通信成 功的电动滑 台,控制它们的正常启停,点击上位机界面“正转”按钮时,设置程序给串口发送字符串“FWD”,点击“反转”按钮时,发送字符串“REV”,点击“停止”按钮 时,发送字符串“STOP”,下位机可根据接收到的数据来进行相应的设置。当某一电动滑台模组的滑块运动至顶端时,设置下位机给上位机 发送一信号 ,上位机根据接收到的指令,向该电动滑台模组发去向相反方向运动的“FWD”或“REV”指令。点击“加速”“减 速”按钮时,还可以 通过改变PWM信 号的占空比,实现相应的电机加减速控制。工作完成后,欲统一控制电动滑台模组停止 运行,则可以 点击“全部停止”按钮,设置程序向所有下位机发送“STOP”字符串。在程序给下位机发送指令时 ,通过DateTime.Now.ToString()函数记录下各个指令发送的时间,设置程序每隔10秒对此控制信息自动保存,便于日后查看。届此,可以实现控制系统集中管理多个电动滑台模组、记录控制信息等功能。为了实现内网IP的穿透,利用花生壳软件 ,将外网的IP映射到内网上,实现服务器对电动滑台模组的远程控制和管理。上位机软件设计程序流程图如图4所示。

模组滑台

4 实验结果与分析

  实验中,将多只电动滑台模组连接至服务器,在服务器端可以观察到所有电动滑台模组均已成功连入,此刻,在电脑端奇数滑台进行正转控制,偶数滑台进行反转控制,点击停止时,相应的电控滑台停止移动。在成功连入服务器后,发送控制指令控制它们的运行速度,方向和启停,服务器端均返回指令指示成功发送,电机运转正常的信息,其效果如图5和图6所示。为了测试服务器对电动滑台模组运行状态的监控,实验中,将其中两台电动滑台模组断电停止工作,则服务器端会将与该电动滑台模组的连接断开,服务器不再对该电动滑台进行控制,也不再接收其发送的任何信息。

滑台模组

滑台模组


5 结论

  本文设计的基于WiFi的电动滑台模组无线控制系统,采用STC15W4K56S4芯片作为其控制芯片,在C#环境下进行上位机软件的编写,增强了系统的实用性。可以实现对多个电控滑台同时进行控制,及在远程进行控制,还可对相应的控制信息进行存储。今后的研究,将更加注重扩展该系统的适用范围,扩展它的功能。构建了便携式质谱数据采集统。软硬件合理的架构及方便的接口设计与DMA技术相结合,很好的实现了信号控制和采集的功能。同时解决了数据采集和传输速率不匹配问题,提高了系统的整体性能。该系统不仅可以满足目前便携式质谱仪在现场检测的要求。同时也为其他分析仪器的数据采集系统研究提供了一种供参考的可行方案,具有良好的推广价值。

 

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