一种基于STM32的嵌入式低功耗无线手持控制器设计

摘要：以用于显微注射的显微实验操作系统为平台，设计了一种基于STM32的嵌入式低功耗无线手持控制器。控制器是实验平台的人机接口，替代了平台已有的有线控制器，在原设备基础上增加了无线通讯功能和平台工作状态及参数实时显示功能，弥补了原设备连线复杂、无数据显示功能等诸多不足。针对系统需求，完成了无线手持控制器的软硬件设计。测试结果表明：无线手持控制器具有功耗低，无线通讯可靠稳定，用户界面友好简洁的特点，提高了显微实验的效率和质量，具有较高的实用价值。

显微注射技术是现代生物工程重要的技术手段之一，广泛应用在转基因、试管婴儿和克隆等细胞工程领域。显微实验操作系统是一套完整的用于显微注射实验的自动化装置，它将自动控制、微电子、嵌入式、无线通讯等技术运用到显微注射实验中，通过手持控制器和机械手驱动系统实现了显微注射实验的数字化和智能化，相比于传统人工操作，极大的提高了科研工作者的工作效率和工作质量。

手持控制器是显微实验系统的人机接口，用户通过手持控制器将命令发送至机械手驱动系统，由驱动系统控制三轴机械手实现对细胞探针的操作。原实验系统中的手持控制器采用RS485与驱动系统实现通信，使用时需要操作人员连接供电线缆及通讯线缆，过多的连线不仅使得手持控制器丧失了其使用的便携性，并且接插件容易松脱为系统增加不可靠隐患。本文设计了一种采用锂电池电池供电的无线手持控制器，弥补了上述不足，除此之外还增加了LCD显示功能，实现了机械手工作参数和状态的实时监控，进一步提高了显微实验的自动化程度。

1 无线手持控制器需求分析

采用无线手持控制器的显微实验操作系统框图如图1所示，根据系统框图需求可将无线手持控制器功能分为人机接口、板间通讯、锂电池管理3部分。

1.1 人机接口

原始的有线控制器不具备参数显示功能，机械手工作参数和状态无法获取，特别是XYZ坐标只能通过显微镜大致判断，使用时十分不便。通过增加LCD显示功能弥补了上述不

足，使得手持控制器成为功能完整的人接机口。用户可通过按键(确定、取消、移动等)实现参数查询与设置、界面切换等操作。

控制器通过三路光电编码器实现对机械手XYZ三轴运动的控制，用户转动编码器的方向和速度决定了机械手在相应坐标轴上运动的速度和方向。

1.2 板间通讯

控制器通过无线方式和驱动系统实现通讯。通讯应当可靠，丢包、误码、重传都会导致用户命令不能及时传送至驱动系统，机械手因此无法及时响应，从而显微实验所需的高分辨率就难以保证，严重时还会破坏细胞甚至损坏机械手。另外控制器还保留了RS485有线通讯接口备用。正常使用时，有线和无线通讯距离均不超过2 m，使用环境无强电磁干扰。

1.3 锂电池管理

无线手持控制器采用3.7 V/2200 mAh锂电池供电，相比于传统的镍镉电池、镍氨电池、铅酸电池，锂电池具有相同容量下体积小、质量轻;无重金属元素，对环境污染小等优势，但是锂电池对过充电和过放电十分敏感，过充和过放都会对电池造成不可逆的损坏，降低电池寿命，因此需要对锂电池进行合理的管理和保护。

2 无线手持控制器硬件设计

根据无线手持控制器的功能需求，设计出手持控制器硬件系统框图如图2所示。下面对系统中各重要模块进行说明。

2.1 MCU模块

MCU选用STM32F103RCT6，该芯片是专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用所设计的，其主要参数如表1所示。该芯片处理速度快，并集成了多种功能丰富的外设资源，极大的简化了系统硬件设计，如系统中使用到的通讯接口如：IIC、SPI、USART以及用于电池电压检测的ADC都集成在MCU中，省去了外接相应功能的芯片。另外光电编码器输出的AB正交脉冲可直接接入MCU，内部的定时器可实现判向、可逆计数、抖动滤波等功能，避免了较为复杂的正交编码器的接口电路。简洁的硬件设计，降低了成本，提高了可靠性。

2.2 无线通信模块

无线收发芯片选择瑞典NORDIC公司生产的nRF24L01。该芯片工作于2.4～2.5 GHz频段，该频段是全球开放的ISM(工业、科学和医学)频段，使用者无需申请许可证，给开发者带来了很大方便。该芯片内集成了增强型“ShockBurst”模式控制器、频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器，MCU通过SPI接口可以对芯片进行灵活的配置。

相比于蓝牙、WiFi、ZigBee等其他短距离无线通信方式，nRF24L01具有功耗低、开发简单、成本低等优势，特别是在低功耗方面十分适合本控制器的需求，发射功率为0dBm时电流消耗为11.3 mA，接收模式下电流消耗为12.3 mA，待机模式下电流消耗