前言  

LED灯箱上各种文字、图案有序跳跃、交替辉映，产生强烈的视觉冲击力，被广泛应用于商场、美容美发、宾馆、娱乐场所等地方。

锁存器的工作原理

在LED和数码管显示方面，要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。尤其是在四段八位数码管等这些要选通的显示设备上。在人类能够接受的刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。这就大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。

锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和IO引脚便可以释放。可以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。这就是锁存器在LED和数码管显示方面的作用：节省了宝贵的MCU时间。

LED单元板的最基本元件74HC595是8位串行移位寄存器和8位存储/输出寄存器组成，移位寄存器负责在时钟脉冲的每个上升沿接收输入的数据，而存储/输出寄存器负责将输入的8bit数据并行输出到引脚（Q0~Q7）。因此适当的设计MCU的SPI和LED单元板的连接可以高速将显示数据传送到LED显示屏。显然将MCU的一个SPI模块对应于LED单元板的一条扫描线可最大限度发挥SPI的速度优势。对于一个扫描线不多而每条扫描线又很长的情况下(超长LED条屏)，使用SPI对应于单元板的一条扫描线可输出速度高达系统时钟的1/4或更高。

74HC595引脚图

LED灯箱控制器方案

上海航芯LED灯箱控制器方案以ACM32F070CBT7为主控芯片，主频64MHz，128KB eFlash和32KB SRAM，带有两路高达50Mbps的SPI接口。SPI模块支持1线、2线、4线传输模式，在4线传输模式下，每个时钟周期可同时输出4bit数据，每根SPI数据线可作为一路锁存器的串行输入，因此一个SPI模块可同时输出控制32个LED或者数码管的引脚，大大的提高了控制效率，可以为MCU节省大量的时间去处理其他任务。

SPI四线模式时序图

LED灯箱控制器方案框图

分体式水控概述

分体式水控是一种常见的水控系统，它的工作原理是通过水的流动来控制水的供应和排放，该系统一般由两部分组成：控制器和水阀。控制器负责监测水的流量和压力，根据设定的参数来控制水阀的开和关，从而实现水流的控制。

基于上海航芯ACM32F403的物联网分体水控是一款以M1卡或CPU卡作为电子钱包，以实时扣费的方式实时扣取卡中金额，通过对出水管道电磁阀（或电动阀）的开关控制，实现插卡出水、拔卡断水、精确计费。

分体式水控 功能特点

• 支持各种类型的非接触式射频卡M1、CPU卡

• 无需通信布线，全网通方式与运营商基站通信

• 支持在线自动升级终端程序

• 支持脱机工作和联机工作，脱机自动变联机，下载参数和上传记录

• 防水等级IPx6

分体式水控方案介绍

分体式水控方案采用上海航芯ACM32F403作为主控芯片，支持Cortex-M33和Cortex-M4F指令集。芯片内核支持一整套DSP指令用于数字信号处理，支持单精度FPU处理浮点数据，同时还支持MPU用于提升应用的安全性。主频高达180MHz，内置最大512K eFlash和192K SRAM，同时具有多路UART/IIC/SPI等丰富的通讯外设，能够满足系统在多场合下的应用要求，分体式水控方案框图如下所示：

ACM32F403主控芯片带有速率高达50Mbps的QSPI接口，能快速与NFC芯片通讯，获取卡片信息，读卡时间小于0.3秒，并通过ESAM模块完成与卡片的双向认证，实现充值，扣费、记录、数据加密等功能。如外接的CAT1模块与云端保持在线状态，则将系统的刷卡信息实时的同步到云端，也可通过UART和蓝牙模组和手机APP通讯，进行固件升级、参数下载、记录上传等功能。外接1.3寸OLED 128*64点阵屏，支持中文显示，主控芯片通过IIC接口与屏驱IC通讯，实时显示刷卡信息、卡片余额、阀门状态、在线状态等信息。

 前言

随着智能科技的快速发展，电动滑板车的驱动系统也得到了长足的发展。国内外的电动滑板车用电机驱动系统分为传统刷式电机和无刷电机两种类型。其中，传统的刷式电机已经逐渐被无刷电机所取代，无刷电机的性能和寿命都更出色，已成为电动滑板车驱动系统的主流。

根据QYRESEARCH数据显示，2020年，全球电动滑板车产量为425万辆。预计2027年产量达到1001万辆，2021-2027年复合增长率12.35%。2020年全球总产值达12.1亿美元。全国范围内，2020年中国的产量达364万辆，占全球电动滑板车总产量的85.52%；其次北美产量达53万辆，占全球的12.5%，电动滑板车行业总体继续保持稳健增长，协调发展的良好态势，欧美日大部分从中国进口电动滑板车。

01、ACM32F403系列芯片规格介绍

•  采用M33内核，主频最高可达180MHz，处理性能最高可达248DMIPS（基于Dhrystone 2.1测试）

•  工作电压范围：1.7V~3.6V

•  eFlash：256KB/512KB

•  SRAM：96KB/192KB

•  高速高精度ADC，12位分辨率，2Msps

•  高级定时器1个，支持六步 PWM 输出，32位通用计时器1个，16位通用计时器6个

•  通讯接口丰富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1

•  封装类型丰富：

QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

•  车规级工作范围：-40℃~125℃

•  工业级ESD标准：4000V(HBM)

•  内建 AES、 CRC、 TRNG等算法模块，支持数学硬件加速

02、上海航芯电动滑板车驱动方案

上海航芯电动滑板车方案采用ACM32F403作为主控芯片，主要电力来源为24V锂电池组，通过电源转换，为控制系统供电，同时也提供MOS的门级驱动。通过HALL传感器获取轮毂电机的位置信息以及相位，通过高速ADC采样相关电流。

03、有感FOC电机控制

系 统 采 用 磁 场 导 向 控 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的实质是运用坐标变换将三相静止坐标系下的电机相电流转换到相对于转子磁极轴线静止的旋转坐标系上，通过控制旋转坐标系下的矢量大小和方向达到控制电机目的。

具体控制过程如下：

（1）设置iq_Ref的值来控制电机转矩输出，将iq_Ref设置为0

（2）测量三相定子电流ia、ib、ic。参照结合基尔霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，实际上只要测量A相和B相定子电流ia和ib，C相定子电流就能够借助上面的公式计算出来

（3）将测得的三相定子电流借助Clarke变换变换到二相静止坐标系α-β坐标系中，得到iα和iβ

（4）借助位置编码器检测转子角度，得到电角度θ。如下图，d-q旋转坐标系相对于α-β静态坐标系逆时针旋转角度θ，得到id，iq。在稳态条件下，Id和Iq是常数

（5）将id和iq的实际值与各自信号的参考值id_Ref和iq_Ref进行比较得到误差信号。将误差信号输入PI控制器，得到应当需要施加在电机上的电压矢量Vd和Vq

（6）借助新的电角度，将PI控制器输出的电压矢量Vd和Vq借助Park逆变换到静止参考系α-β，求出正交电压值Vα和Vβ

（7）Vα和Vβ经Clarke3逆变换得到三相定子应当需要施加的电压值Va、Vb、Vc

（8）3相电压值Va、Vb、Vc可用于计算新的PWM占空比值，并借助SVM机制更新各相PWM输出，生成所需的电压矢量。这个过程也称为SVPWM

（9）参照结合控制对象当前状态更新参考值iq_Ref，然后返回1）开始新一轮调整

结 语

随着社会环保意识的提高和城市交通拥堵问题的加剧，电动滑板车作为一种绿色、便携、省钱的交通工具，将会越来越受欢迎。各国向人们提供旅游补贴，提倡绿色旅游，中国对欧洲的自行车和电动滑板车出口猛增。中国有一个完整的产业链，从零部件到整车装配，电动滑板车的未来仍是一个不断升温的过程。

随着我国电网建设的快速发展，数字化变电站成为建设和研究的热点，数字化变电站的核心在于一次设备的智能化与二次设备的网络化，对于断路器这种极其重要的电力一次设备而言，其智能化的实现有十分重要的意义，断路器智能化在于运行状态实时监测、通断精确、智能控制和信息传递网络化等。随着电力电子技术和自动控制理论的广泛应用，计算机与网络通信技术的飞速发展，以及对传感器技术和人工智能的深入研究和综合应用，智能断路器的功能得到了极大的扩展和完善。

本文将介绍基于ACM32F070的智能断路器方案，有效实现电路的智能化控制，让用电更安全更智能。

01、智能断路器概述

智能断路器是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统。其主要特点是由电力电了技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，可检测设备缺陷和故障，在缺陷变为故障前发出报警信号，以便采取措施避免事故发生。智能断路器实现电子操动，变机械储能为电容储能，变机械传动为变频器经电机直接驱动，机械系统可靠性提高。断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。

图 | 智能断路器

低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，己获得了广泛的应用。

高压断路器（或称高压开关）是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。

02、智能断路器原理

智能断路器由数据采集、智能识别和调节装置3个基本模块构成，智能识别模块是智能控制单元的核心，由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别操作时断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再发出分合闸信号；数据采集模块主要由新型传感器组成，随时把电网的数据以数字信号的形式提供给智能识别模块，以进行处理分析；调节装置由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。此外，还可根据需要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。

03、芯片简介

ACM32F0X0 系列是一款支持多种低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比较器、运放、触控按键控制器、段式LCD控制器，内置高性能定时器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等丰富的通讯外设，内建AES、TRNG等信息安全模块，支持多种低功耗模式，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。

04、设计方案

本文描述的智能断路器方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU进行设计，整体的方案框图如下所示：

图 | 基于ACM32F070智能断路器设计方案框图

本次设计方案的智能断路器主要是以 ACM32F070单片机作为主处理芯片，并使用外部相关部件组成整个控制系统。单片机上电以后，用互感器不断采集各路的电压电流信号，并转换为单片机能够接受的 0-3.3V 电压信号（数字信号的分辨率由 ADC 模块的位数决定，一般为 12 或 16 位），之后通过 ADC 接口接入 MCU，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发分合闸的指令。在此过程中，MCU 发送数据到屏幕上，屏幕上可实时显示电压、电流、时间等参数，这些参数可以向操作者直观的显示各种需要的信息，从而达到了人机交互的目的。

01. 数据采集

电流信号采集首先采集的是工频的大电流，通过互感器输出一个小电流，通过采样电阻得到相应的输出电压范围，考虑到到电流采集过程中不仅要保留正半周的信号，也要保留负半周的信号，而 ACM32F070 能够处理的是 0-3.3V 的信号，因此要加入其它元器件，除了增加 RC 滤波电路，还要增加运算放大器。电压信号与电流信号的采集方法基本相同。

02. 智能识别

ACM32F070主控芯片有一个高精度ADC，ADC支持单端信号转换和差分信号转换，多达21个通道，电流互感器接收到的电流和电压信号，先经过运算放大器处理后再通过 ADC 模数转换，将采集的模拟量按照比例转化为数字量，供单片机计算处理，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发开关MOS管的指令。

03. 显示模块

智能断路器的显示屏主要起到人机交互的作用，可以显示当前电路的电压电流、 时间、功率、功率因数等实时参数。现场操作人员能够根据观察到的各种运行信息来 进行监控并清除故障，ACM32F0X0芯片内部集成一款适用于单色无源液晶显示器（LCD）的数字控制器/驱动器，可以更方便驱动智能断路器的显示屏。

04. 供电电路

通过AC/DC转换电路将外部220V电源转换为3.3V电源供电，还有一个纽扣电池作为备用电源，AC/DC转换电路如下图所示：

05、软件设计

智能断路器软件部分包括多个子系统，组成整个系统，比如有 ADC 转换、液晶显示、模拟看门狗检测、定时和中断等多个部分。首先初始化系统时钟、ADC、LCD、定时器、模拟看门狗等，之后驱动MOS管，通过ADC连续采样，将采样数据通过DMA存储到BUFFER，然后传输到LCD显示屏实时显示，同时将采样数据与设置的电流阈值作比较，一旦过流将产生模拟看门狗中断，在中断里关闭MOS管以此起到过流保护作用。软件流程图如下所示：

结 语  

智能断路器目前在工业与民用市场有着广泛的前景，随着芯片技术和软件技术的进步，使得电气科研人员可以更好地去研究智能断路器的控制技术。本文提出的设计方案的主旨也就是将断路器智能化，采用智能断路器技术后，对于非故障性的操作，断路器都可以在较低的速度下断开，减少断路器断开时的冲击力和机械磨损，从而提高断路器的使用寿命，在工程上达到较好的经济效益和社会效益。

随着工业自动化和机器视觉的快速发展，激光测距技术凭借其抗干扰能力强、精度高等优势，在检测、测量和控制等行业领域中得到广泛应用。

01、激光测距仪概述

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪分为手持激光测距仪和望远镜式激光测距仪。

左 | 手持激光测距仪    右 | 望远镜式激光测距仪

手持激光测距仪

测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。这是目前使用范围较广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。

望远镜式激光测距仪

测量距离比较远，一般测量范围在3.5米-2000米左右，由于测距望远镜的准直性要求，3.5米以下为盲区，大于2000米以上的激光望远镜一般采用YAG激光，波长为1.064微米，为了达到较大的测量量程，所以激光功率较大，建议使用者注意激光防护。主要应用范围为户外中、长距离测量。

激光测距仪原理

根据基本原理，实现激光测距的方法有两大类：飞行时间(TOF)测距和非飞行时间测距，飞行时间测距中有脉冲式激光测距和相位式激光测距，非飞行时间测距主要是三角激光测距，如下图所示：

脉冲式激光测距法

脉冲式测距是激光技术最早应用于测绘领域中的一种测量方式。由于激光发散角小，激光脉冲持续时间极短，瞬时功率极大可大兆瓦以上，因而可以达到极远的测程。一般情况下不使用合作目标，而是利用被测目标对光信号的漫反射来测距，脉冲式测距适合远距离测量，测量距离可表示为：

L=cΔt/2

式中L为测量距离，c为光在空气中传播的速度， Δt为光波信号在测距仪与目标往返的时间。原理图如下所示：

相位式激光测距法

相位式激光测距通常适应于中短距离的测量，测量精度可达毫米、微米级，也是目前测距精度最高的一种方式,大部分短程测距仪都采用这种工作方式。相位式测距则是将一调制信号对发射光波的光强进行调制，通过测量相位差来间接测量时间，较直接测量往返时间的处理难度降低了许多。

三角测距法

三角测距法即光源、被测物面、光接收系统三点共同构成一个三角形光路，由激光器发出的光线，经过汇聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，光接收系统接收来自入射点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上，通过光点在成像面上的位移来测量被测物面移动距离的一种测量方法。

脉冲式TOF的优点是测量范围广且光学系统紧凑，但是高速读取脉冲光的电路设计和配置较为复杂。相位式TOF在近距离测量中测量精度更高，同时由于无需时间测量的电路，电路设计比较简单，因而此方法可以用于整列传感器中，然而相位式TOF不能分辨实际距离在一个还是多个测量周期内，因而不适用于长距离的测量。三角测距法的优势是小距离下测量精度高，但是缺点为电路的小型集成化比较困难，并且测量易受外界环境光的影响。

02、芯片介绍

ACM32F0X0系列是一款支持多种低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比较器、运放、触控按键控制器、段式LCD控制器，内置高性能定时器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等丰富的通讯外设，内建AES、TRNG等信息安全模块，支持多种低功耗模式，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。

03、设计方案

本文描述的激光测距仪方案，基于上海航芯ACM32F070系列MCU进行设计，测距原理是脉冲测距法，整体的方案框图如下所示：

基于ACM32F070激光测距仪设计方案框图

激光测距仪包含主控MCU、激光接收模块、激光发射模块、LDO稳压源、ADC、LCD显示屏、电源及一些外围的器件组成。主控MCU实现了激光测距仪的整体逻辑，提供数据显示和控制激光发射和接收模块的作用。 

本次方案采用的测距原理是脉冲法测距，利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，即使没有合作目标，也能通过接收被测目标的漫反射信号，进行距离测量。ACM32F070通过GPIO驱动外部激光发射模块，来达到控制和驱动激光发射，激光发射模块发射激光后，反射到激光接收模块，激光接收模块将光信号转换为电信号，通过运算放大器放大，再由ADC采集，并通过对比判断这次接收是否有效，同时时间测量模块在激光发射时计时，将测量得到的数据通过SPI传输到MCU，得到激光发射到接收的时间Δt，通过脉冲发测距公式L=cΔt/2，由此得到目标的距离L。

主控MCU：采用ACM32F070CBT7作为主控芯片，最高工作频率 64MHz，具备七个定时器，一个12位1.6Msps高精度ADC，支持LCD显示屏驱动。

激光接收模块：激光测距仪的接收模块首先将光信号转化为电信号，之后再通过运算放大器进行放大，通过MCU分析和计算。

高精度时间测量：采用脉冲方式进行激光测距，距离的获得是通过测量激光由发射端到目标端来回往返所需的时间来实现的，距离很远的情况下可以考虑使用MCU内部定时器。

首先初始化ACM32F070的系统时钟和其它外设模块，初始化时间测量模块和内部定时器，然后定时驱动激光发射模块发射激光信号，判断是否成功发射后停止发射，通过ADC采集到的电信号判断是否成功接收，接收失败则重新初始化定时模块和发射，接收成功后通过读取到的时间值根据公式换算出距离，通过LCD显示。测量软件流程图如图所示：

结 语  

如今，激光测距已在日常生活和社会生产中有着非常广泛和实用的应用。随着激光技术和数字处理技术等科学技术不断发展，激光测距将逐渐在生产和生活中有更全面的应用。本文提出的设计方案介绍了激光测距仪的基本原理，旨在让大家更好的了解激光测距领域。