基于ARM和FPGA的全自動(dòng)拉絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信和汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了鋼聯(lián)線產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。鋼聯(lián)線是通信電纜和輪胎的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響著通信的效果、輪胎的質(zhì)量、品質(zhì)和等級(jí)。拉絲機(jī)是鋼聯(lián)線的主要生產(chǎn)設(shè)備。針對(duì)當(dāng)前主要采用PLC實(shí)現(xiàn)拉絲機(jī)控制系統(tǒng)的狀況[1]，本文提出了基于ARM和FPGA的拉絲機(jī)控制系統(tǒng)，使用先進(jìn)的控制器結(jié)構(gòu)，技術(shù)含量高，穩(wěn)定性好，向上層軟件提供了良好的硬件接口，易于移植，并且成本低，可以替代PLC進(jìn)行生產(chǎn)控制。

1 拉絲機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1.1拉絲機(jī)工藝過(guò)程

拉絲機(jī)種類(lèi)較多，對(duì)于不同要求、不同精度規(guī)則的產(chǎn)品，不同的金屬物料，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。盡管拉絲工藝不同，但其工作過(guò)程基本上可以劃分成放線、拉絲、收線3部分工藝過(guò)程[2]。如圖1為拉絲機(jī)工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖。

未拉的絲通過(guò)一個(gè)阻力裝置（一般是一個(gè)夾板之類(lèi)的東西，用來(lái)提供一定的張力，同時(shí)也起到了防止跳線的作用），進(jìn)入細(xì)拉槽，即放線環(huán)節(jié)；進(jìn)入細(xì)拉槽的絲在細(xì)拉塔輪和微拉塔輪的多次拉制后，成為所需要的絲，此時(shí)通過(guò)測(cè)速傳感器測(cè)出速度信號(hào)為n1；被拉細(xì)后的絲經(jīng)過(guò)滑差輪，該輪的作用主要是保持恒定張力；然后絲再經(jīng)過(guò)測(cè)速輪，該輪的作用就是測(cè)出當(dāng)前拉絲的線速度，通過(guò)測(cè)速傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)速信號(hào)為n2；經(jīng)過(guò)測(cè)速輪的絲再經(jīng)過(guò)一個(gè)中間環(huán)節(jié)，然后通過(guò)擺絲桿，最后把絲繞到卷軸上，即收線環(huán)節(jié)[2-3]。

1.2 拉絲機(jī)控制器系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制方案主要有以下4部分：

(1) 放絲伺服的恒線速度控制

要求放絲電機(jī)能夠最大程度地抗干擾，能夠盡量在一個(gè)穩(wěn)定的速度下運(yùn)行，同時(shí)還要具備平滑的加減速功能。因?yàn)橄到y(tǒng)在啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，要以一個(gè)比較低的速度來(lái)運(yùn)行,然后操作人員在HMI上通過(guò)總線把電機(jī)手動(dòng)加速到合適的速度才開(kāi)始拉絲，同時(shí)在停機(jī)時(shí)也要求電機(jī)能夠平滑地把速度降下來(lái)[4]。

(2) 調(diào)節(jié)伺服的跟隨控制

調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器直徑接收拉絲伺服電機(jī)高速脈沖的信號(hào)，按一定的電子齒輪比跟隨放線速度，以保證出絲的線速度，同時(shí)與卷繞伺服做到了很好的協(xié)調(diào)，保證系統(tǒng)張力控制的穩(wěn)定性[4]。

(3) 卷繞伺服的恒張力控制

要求卷繞伺服在半徑不斷增大的情況下保持與調(diào)節(jié)伺服的線速度相等，以保證繞出來(lái)的線平滑、不塌邊，提高線絲的成品質(zhì)量。而要實(shí)現(xiàn)恒線速度控制，必須通過(guò)一個(gè)反饋回路來(lái)檢測(cè)實(shí)際的繞線輪的線速度。先通過(guò)層數(shù)大致計(jì)算出繞線輪的半徑，然后再得到大致的卷繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后再加上PID誤差計(jì)算結(jié)果，這樣得到的線速度才比較精確，也就是線速度差最小[5]。

(4) 擺絲位置控制

擺絲的控制主要是保證繞制出來(lái)的線均勻地排列在線軸上。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拉絲機(jī)控制器硬件原理框圖如圖2所示。選用STMicroeletronics 公司ARM7TDMI 系列嵌入式處理器 STR712F作為控制器，能滿足拉絲機(jī)張力調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)性、高速性和精確性，同時(shí)具有高性能低功耗的特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

考慮到拉絲機(jī)控制對(duì)象復(fù)雜，需要較多的輸入輸出口，本系統(tǒng)還在ARM芯片外擴(kuò)展了1片FPGA芯片(選用Actel公司的A3P060)。

2.1 ARM主控制板設(shè)計(jì)

ARM主控制板是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，包括ARM主芯片（STR712F）、SRAM、Flash、LCD接口、SPI接口(可選）、FPGA接口、串口、CAN接口、JTAG調(diào)試接口等[6]。

主控制板設(shè)計(jì)完成后，在此控制板上移植Linux操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)存儲(chǔ)于主控制板的Flash芯片；LCD接口用于擴(kuò)展液晶顯示器，該主控板可以支持128×64的液晶顯示器；FPGA接口用于擴(kuò)展FPGA協(xié)控制器板；JTAG接口和串口在調(diào)試時(shí)使用。

ARM主控板采用核心板和基板的結(jié)構(gòu)，以節(jié)省成本。核心板包含STR712F處理器、SRAM、Flash芯片等，采用4層板布線；其他部分全部放置在基板，采用2層板布線。

ARM與FPGA的通信采用SPI總線協(xié)議——串行通信協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)。ARM與FPGA交換數(shù)據(jù)采用幀的形式進(jìn)行，每幀包括數(shù)據(jù)位、地址位、FPGA觸發(fā)位和命令解釋位等，ARM通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的幀來(lái)控制FPGA的執(zhí)行。故主控制板上的FPGA接口由IO口、中斷線、地線和電源線等組成。

2.2 FPGA協(xié)處理器設(shè)計(jì)

FPGA協(xié)處理器的硬件電路主要包括電源、晶振、FPGA電路、驅(qū)動(dòng)電路等部分。協(xié)處理器及外接電路框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

協(xié)處理器電路與ARM板通信，解析ARM發(fā)出的命令并執(zhí)行，主要包括讀傳感器命令（位置信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、光電信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、停機(jī)信號(hào)等）、主電機(jī)控制命令、主風(fēng)機(jī)控制命令、收線電機(jī)控制命令、收線風(fēng)機(jī)控制命令、主變頻器控制命令、收線變頻器控制命令等，共計(jì)24路輸入和16路輸出。該部分是整個(gè)硬件控制電路的關(guān)鍵，起到橋梁的作用，前端面向主處理器，后端直接面向各機(jī)械驅(qū)動(dòng)電路。

2.3 掉電數(shù)據(jù)保護(hù)電路模塊

掉電數(shù)據(jù)保護(hù)電路由DS1302ZN接口電路、AT45DB021B接口電路、MAX706掉電檢測(cè)電路和預(yù)警比較電路組成。

2.4 通信接口電路

全自動(dòng)拉絲機(jī)系統(tǒng)是一種對(duì)速度控制要求高的機(jī)械設(shè)備，要求控制系統(tǒng)能夠提供非常精確、平滑的線速度。整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制設(shè)備繁多，各個(gè)電機(jī)之間要求很高的協(xié)調(diào)性。本系統(tǒng)采用4套伺服電機(jī)控制，而每套伺服電機(jī)間均有數(shù)據(jù)交換，且數(shù)據(jù)通信也要求很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，也就是要求系統(tǒng)具有總線通信能力。這樣就要求伺服驅(qū)動(dòng)器擁有非常強(qiáng)大的功能才能滿足控制要求。

因此，在這里選擇了自帶CAN總線的ARM7，采用了標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議，能夠傳送和接收PDO、SDO，以滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)的要求。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器也集成了PROFIBUS接口，但是價(jià)格比較昂貴，采用CAN總線既滿足了控制要求，又為客戶節(jié)約了成本。

2.5 高速計(jì)數(shù)模塊

系統(tǒng)擴(kuò)展兩路高速計(jì)數(shù)口，其中一路用來(lái)記錄現(xiàn)場(chǎng)工作車(chē)速，以此計(jì)算出拉絲長(zhǎng)度，另一路用來(lái)計(jì)算班產(chǎn)累計(jì)、拉絲總長(zhǎng)、拉絲時(shí)間等工藝參數(shù)。這里采用高速光耦HCPL0611將該口擴(kuò)展為高速計(jì)數(shù)口?？刂破骶哂懈咚倜}沖計(jì)數(shù)能力，能夠采集高速脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出進(jìn)絲線速度，然后通過(guò)PDO傳送給收卷伺服驅(qū)動(dòng)器，該伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)此轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制線張力的目的。

2.6 人機(jī)界面模塊

為了便于用戶管理和操作，增加了一個(gè)拉絲機(jī)工藝參數(shù)顯示設(shè)定模塊，STR712F通過(guò)一路自帶的UART串行口與該顯示模塊（觸摸屏）進(jìn)行通信。系統(tǒng)人機(jī)界面采用帶有RS485通信口的Easy View系列觸摸屏，通過(guò)RS485通信方式與中央控制單元連接。設(shè)置參數(shù)包括：拉絲直徑、系統(tǒng)啟動(dòng)、停車(chē)、跳卷、線速度設(shè)定、收卷點(diǎn)動(dòng)、斷線保護(hù)有效、防護(hù)罩有效、報(bào)警、PID參數(shù)等。通過(guò)該模塊可控制拉絲長(zhǎng)度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)或定時(shí)收絲。利用該模塊還可直接對(duì)CPU內(nèi)的計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變量存儲(chǔ)器等進(jìn)行訪問(wèn)。在系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，觸摸屏上可及時(shí)顯示系統(tǒng)的故障，方便用戶及時(shí)排除，提高了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理和操作的效率。

2.7 電平轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊供電電壓有24 V、5 V、3.3 V、1.5 V等，因此，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的電平轉(zhuǎn)換電路，這里采用低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器D2405S/2 W，它有很低的靜態(tài)電流，性能價(jià)格比高。

2.8 其他部分電路設(shè)計(jì)

除了以上討論的幾部分電路外，由于是變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)械工作，故設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速通信模塊；同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，采用了一系列抗干擾技術(shù)，如硬件上采用光電輸入輸出隔離、繼電器線圈RC吸收等。為了保證數(shù)據(jù)和程序有足夠的存放空間，通過(guò)I2C總線擴(kuò)展了一個(gè)外部EEPROM。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，以有利于系統(tǒng)升級(jí)和替代。主要模塊有準(zhǔn)備模塊、系統(tǒng)初始化模塊、張力控制模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、計(jì)算處理模塊、故障及報(bào)警模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等，其中張力控制模塊是本設(shè)備程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵而且是難點(diǎn)，它包括采樣模塊、計(jì)算處理模塊、輸出模塊和調(diào)整模塊。整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及到匯編程序、C語(yǔ)言程序、驅(qū)動(dòng)程序、調(diào)試程序等?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖4所示。

本系統(tǒng)采用CAN總線通信，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力；伺服內(nèi)部算法自動(dòng)計(jì)算自身轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，張力控制得當(dāng)。本系統(tǒng)支持串口設(shè)備，便于人機(jī)交互，整個(gè)系統(tǒng)可移植性強(qiáng)，對(duì)國(guó)內(nèi)拉絲機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展具有一定推動(dòng)作用。該系統(tǒng)帶來(lái)了效率（拉絲速度）、質(zhì)量（拉絲直徑）的提高，同時(shí)也降低了系統(tǒng)綜合成本。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，能自動(dòng)檢錯(cuò)，易于升級(jí)。運(yùn)行結(jié)果表明，它的控制性能可以與PLC控制系統(tǒng)相媲美。