一、项目概述
随着工业自动化的发展,传统步进电机控制系统通常只能控制单个电机,无法满足复杂应用场景的需求。因此,本文设计了一种基于STM32和CAN总线的多个步进电机控制系统。该系统旨在实现对多个步进电机的同时控制,包括启停、正反转、速度和步数等功能。
技术栈关键词
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单片机: STM32
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通信协议: CAN总线
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电机驱动: DRV8825
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上位机软件: Embedded Debug
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分析仪: USB-CAN
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收发器: TJA1050
二、系统架构
系统架构设计
本系统架构由主控制器、CAN通信模块和步进电机驱动模块组成。STM32作为主控制器,负责控制和协调各个模块的工作。CAN总线用于实现微处理器与上位机之间的高效通信。
组件选择
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主控制器: STM32F103系列
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通信协议: CAN总线
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步进电机驱动: DRV8825
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上位机软件: Embedded Debug
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CAN收发器: TJA1050
系统架构图
三、环境搭建和注意事项
环境搭建
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硬件环境:
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STM32开发板
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DRV8825步进电机驱动模块
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USB-CAN分析仪
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TJA1050收发器
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步进电机(如NEMA 17)
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软件环境:
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STM32CubeIDE
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Embedded Debug
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CAN分析工具
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注意事项
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确保电源电压和电流符合步进电机和驱动模块的要求。
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在进行CAN通信时,确保所有设备的波特率一致。
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进行系统调试时,注意各个模块之间的连接和信号完整性。
四、代码实现过程
1. STM32代码实现
1.1 初始化模块
在代码的开始部分,我们需要对CAN模块进行初始化,以便能够与上位机进行通信。以下是初始化CAN的代码示例及其详细说明。
#include "stm32f10x.h" // 根据具体的STM32型号选择头文件
#include "can.h" // 自定义CAN模块头文件
void Init_CAN(void) {
// 配置CAN参数
CAN_InitTypeDef CAN_InitStruct;
CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStruct;
// 开启CAN时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);
// 配置CAN参数
CAN_InitStruct.CAN_TTCM = DISABLE; // 不使用时间触发模式
CAN_InitStruct.CAN_ABOM = ENABLE; // 自动离线管理
CAN_InitStruct.CAN_AWUM = DISABLE; // 不使用自动唤醒
CAN_InitStruct.CAN_NART = DISABLE; // 允许重传
CAN_InitStruct.CAN_RFLM = DISABLE; // 不使用接收FIFO锁定模式
CAN_InitStruct.CAN_TXFP = DISABLE; // 不使用优先级
CAN_InitStruct.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal; // 常规模式
CAN_InitStruct.CAN_SJW = CAN_SJW_1tq; // 重新同步跳跃宽度
CAN_InitStruct.CAN_BS1 = CAN_BS1_8tq; // 时间段1
CAN_InitStruct.CAN_BS2 = CAN_BS2_3tq; // 时间段2
CAN_InitStruct.CAN_Prescaler = 6; // 波特率设置
CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStruct); // 初始化CAN
// 配置CAN过滤器
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterNumber = 0; // 过滤器编号
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask; // 使用ID掩码模式
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; // 过滤器规模
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterIdHigh = 0x0000; // 过滤器高ID
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterIdLow = 0x0000; // 过滤器低ID
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; // 掩码高ID
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000; // 掩码低ID
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_FIFO0; // 过滤器分配到FIFO0
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterActivation = ENABLE; // 激活过滤器
CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStruct); // 初始化过滤器
}
代码说明:
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CAN_InitTypeDef: 用于配置CAN模块的结构体,包括模式、波特率、时间段等参数。
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RCC_APB1PeriphClockCmd: 开启CAN时钟,确保CAN模块可以正常工作。
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CAN_FilterInitTypeDef: 用于配置CAN消息过滤器的结构体,设置过滤器的ID、掩码和FIFO分配。
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CAN_FilterActivation: 激活过滤器以便接收特定的CAN消息。
1.2 控制模块
控制步进电机的代码主要包括发送脉冲信号的函数,以控制电机的转动方向和步数。以下是具体实现:
#include "stepper.h" // 自定义步进电机驱动头文件
void Control_StepperMotor(uint8_t motor_id, int steps, int direction) {
// 控制步进电机
for (int i = 0; i < steps; i++) {
if (direction == FORWARD) {
// 发送脉冲信号,正转
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 设置脉冲引脚高电平
HAL_Delay(1); // 等待1毫秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 设置脉冲引脚低电平
HAL_Delay(1); // 等待1毫秒
} else {
// 发送脉冲信号,反转
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 设置脉冲引脚高电平
HAL_Delay(1); // 等待1毫秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 设置脉冲引脚低电平
HAL_Delay(1); // 等待1毫秒
}
}
}
代码说明:
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Control_StepperMotor
: 该函数用于控制指定ID的步进电机。 -
motor_id
: 步进电机的标识符,实际应用中可用于选择不同的电机。 -
steps
: 电机需要转动的步数,根据电机的驱动方式(如全步、半步)进行调整。 -
direction
: 转动方向,通常定义为FORWARD
或BACKWARD
。 -
HAL_GPIO_WritePin
: 用于控制GPIO引脚的高低电平,以产生脉冲信号驱动步进电机。 -
HAL_Delay
: 用于设置脉冲信号的保持时间,确保电机能正确响应。
1.3 消息接收与处理
在主循环中,我们需要接收CAN消息并根据消息控制步进电机的运行。以下是接收和处理CAN消息的代码示例:
void CAN_Receive_Task(void) {
CAN_RxMsgTypeDef RxMessage;
while (1) {
if (CAN_Receive(CAN1, &RxMessage) == CAN_OK) {
// 解析接收到的CAN消息
uint8_t motor_id = RxMessage.Data[0]; // 获取电机ID
int steps = (RxMessage.Data[1] << 8) | RxMessage.Data[2]; // 获取步数,假设步数占用两个字节
int direction = RxMessage.Data[3]; // 获取转动方向
Control_StepperMotor(motor_id, steps, direction); // 控制步进电机
}
}
}
代码说明:
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CAN_Receive_Task
: 该函数是一个任务循环,用于持续接收CAN消息。 -
CAN_RxMsgTypeDef
: CAN接收消息的结构体,包含消息ID和数据。 -
CAN_Receive
: 函数用于接收从CAN总线发送的消息,并存储到RxMessage
中。 -
motor_id
,steps
,direction
: 从接收到的CAN消息中解析出电机ID、步数和转动方向。 -
Control_StepperMotor
: 调用控制函数,驱动相应的步进电机。
2. 上位机代码实现
上位机代码的实现主要用于与STM32进行通信,发送控制指令。以下是使用Python编写的上位机代码示例,采用python-can
库进行CAN通信。
2.1 安装依赖
在开始之前,需要确保安装了python-can
库。可以通过以下命令进行安装:
pip install python-can
2.2 上位机代码
以下是上位机发送控制指令的示例代码:
import can
import time
def send_can_message(bus, motor_id, steps, direction):
# 创建CAN消息
data = [motor_id, (steps >> 8) & 0xFF, steps & 0xFF, direction]
message = can.Message(arbitration_id=0x123, data=data, is_extended_id=False)
bus.send(message)
print(f"Sent message: {
message}")
def main():
# 设置CAN总线
bus = can.interface.Bus(channel='can0', bustype='socketcan') # 根据实际接口选择
time.sleep(1) # 等待CAN总线稳定
while True:
motor_id = int(input("Enter motor ID (0-255): "))
steps = int(input("Enter number of steps: "))
direction = int(input("Enter direction (0 for forward, 1 for backward): "))
send_can_message(bus, motor_id, steps, direction)
time.sleep(0.5) # 短暂延时以防止过快发送
if __name__ == "__main__":
main()
代码说明:
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import can
: 导入python-can
库,用于CAN通信。 -
send_can_message
: -
bus
: CAN总线对象,负责发送消息。 -
motor_id
: 电机的ID,指定要控制的步进电机。 -
steps
: 需要转动的步数,使用两个字节表示。 -
direction
: 方向,通常为0(正转)或1(反转)。 -
can.Message
: 创建一个CAN消息对象,包括消息的优先级ID、数据和扩展ID类型。 -
bus.send(message)
: 通过CAN总线发送消息。 -
print(f"Sent message: {message}")
: 打印发送的消息,便于调试。 -
main
:-
can.interface.Bus
: 创建一个CAN总线接口,channel
和bustype
参数根据实际硬件配置进行调整。例如,socketcan
适用于Linux环境。 -
time.sleep(1)
: 等待1秒以确保CAN总线稳定。 -
while True
: 无限循环,持续接收用户输入。 -
input
: 从用户处获取电机ID、步数和转动方向的信息。 -
send_can_message
: 调用发送函数,将用户输入的数据发送到CAN总线。 -
time.sleep(0.5)
: 发送后短暂延时,以防止消息发送过快。
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3. 整体流程
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初始化STM32:
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在STM32上电后,调用
Init_CAN()
初始化CAN模块和过滤器。 -
进入主循环,调用
CAN_Receive_Task()
等待接收CAN消息。
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上位机操作:
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上位机运行时,用户通过命令行输入电机ID、步数和转向指令。
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上位机通过CAN总线将指令发送到STM32。
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步进电机控制:
- STM32接收到指令后,解析电机ID、步数和转向参数,然后调用
Control_StepperMotor()
进行电机控制。
- STM32接收到指令后,解析电机ID、步数和转向参数,然后调用
五、项目总结
项目概述
本项目旨在设计和实现一个基于STM32和CAN总线的多个步进电机控制系统。通过采用CAN总线通信协议,系统能够高效、灵活地控制多个步进电机,解决了传统步进电机控制系统只能控制单个电机的问题。这种设计不仅提高了系统的可扩展性和灵活性,同时也适应了现代工业自动化的需求。
主要功能
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多电机控制: 系统支持同时控制多个步进电机,用户可以通过上位机发送指令,指定不同的电机ID进行独立控制。
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可调参数: 用户可以根据实际需求调节电机的启停、转动方向、步数和转速等参数,提供灵活的控制方式。
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实时反馈: 通过CAN总线的高效通信,系统能够实时接收上位机的控制指令,并快速响应,从而实现精确控制。