ARM嵌入式控制器應(yīng)用于印染設(shè)備監(jiān)控中

1 引 言

　　隨著工業(yè)自動化進程的推進和企業(yè)信息化程度的提高，利用遠端智能模塊和RS一485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建監(jiān)控工作分散、監(jiān)控結(jié)果集中的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，由于投資費用低、結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易、通信距離長、抗噪聲等優(yōu)點，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。而微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展。以及計算機技術(shù)迅速向非計算機領(lǐng)域的滲透，特別是32位微處理器ARM 在國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，使數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化控制，成為新一代印染控制設(shè)備的主要發(fā)展方向。

　　我們針對拉幅熱定型機主、從電機的同步運行和烘房溫度控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，實現(xiàn)了微機（PC機）與MICROMASTER 440變頻器的設(shè)站通訊，配合漢化下拉式菜單和畫面顯示，以及必要的操作提示，可完成對變頻器參數(shù)的設(shè)定、運行參數(shù)的監(jiān)測、運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的采集。嵌入式控制器ARM除控制拉幅熱定型機主、從電機的同步和烘房的溫度外，還通過RS-485網(wǎng)絡(luò)，將主、從電機的轉(zhuǎn)速和烘房溫度數(shù)據(jù)，傳送給上位機畫面實時顯示。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　圖1為系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　ARM控制器通過兩路光電脈沖發(fā)生器PG1和PG2，同時采集拉幅熱定型機的主、從電機M1和M2的轉(zhuǎn)速，經(jīng)計算后求出兩電機的轉(zhuǎn)速偏差，再經(jīng)過智能算法，輸出控制量，調(diào)整從動機的轉(zhuǎn)速，使之跟隨主動機。由于是變頻器驅(qū)動，控制量要轉(zhuǎn)換為頻率的變化量。ARM 控制器按確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把控制量送給PC機，PC機通過485接口與變頻器通訊，調(diào)節(jié)變頻器2輸出頻率，從而控制從動機M2的轉(zhuǎn)速，使之與主電機同步運行。

　　ARM控制器還通過溫度檢測控制電路，采集烘房溫度，經(jīng)過適合的算法，對烘房溫度進行控制。這里重點介紹PC機與變頻器和嵌入式控制器的RS-485接口設(shè)計。整個系統(tǒng)采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)傳輸。PC機采用研華的MOX-A CP-132UL卡，它是專為工業(yè)通訊環(huán)境設(shè)計的RS-422／485二串口卡，它支持2個獨立的RS-422或RS-485串口，在一對多點應(yīng)用環(huán)境中，每個串口最多可控制32個設(shè)備。每塊卡采用自動數(shù)據(jù)流向控制ADDC（Automatic Data Direction Con-tro1）功能，無需額外的編程，即可輕松管理RS-485半雙工通訊串口數(shù)據(jù)的傳送和接收。變頻器采用西門子的MM440，它有統(tǒng)一開放的USS通信協(xié)議，可方便的與PC機進行通信，并可以在運行中改變變頻器的運行參數(shù)。

　　系統(tǒng)運行前，首先在PC機上設(shè)定變頻器的內(nèi)部參數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速和溫度的額定值；同時開啟控制器ARM，進行數(shù)據(jù)采集和運算控制。通過485總線，PC機可對主傳動系統(tǒng)的主、從電機同步和烘房溫度的控制進行實時監(jiān)測。圖1僅針對拉幅熱定型機的同步系統(tǒng)，所以只用了一個ARM控制器，如果需要擴展到多單元的同步控制，增加被監(jiān)控的單元和控制量，可利用485接口，方便地接人多個ARM控制器。[!--empirenews.page--]

3 上位機和變頻器

　　PC機與變頻器的通信采用USS協(xié)議。該協(xié)議由SIEMENS AG定義，主要以RS-485總線方式將多臺西門子公司生產(chǎn)的變頻器、直流調(diào)速器或PLC等終端設(shè)備與工業(yè)控制計算機相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。USS協(xié)議是開放的，所以為用戶開發(fā)自己的基于該協(xié)議的軟件產(chǎn)品提供了可行性。這樣不僅有利于降低開發(fā)成本，而且能充分滿足特定項目的需要，方便日常的工控網(wǎng)絡(luò)維護。

　　USS協(xié)議支持多點聯(lián)接，支持主一從存取方式，用于單主站系統(tǒng)，最多可鏈接32個站。USS協(xié)議支持可變和固定報文長度，報文格式簡單，通信字符格式為：1位起始位、1位停止位、1位校驗位、8位數(shù)據(jù)位，波特率最高可達18715Kbps。

　　圖2為變頻器MM440的通信報文結(jié)構(gòu)，對報文的具體字符含義不做過多解釋，強調(diào)一點MM440支持BiCo（二進制互聯(lián)連接）技術(shù)，用戶可更方便的對它進行參數(shù)的控制。

圖2 變頻器通信報文結(jié)構(gòu)

　　在變頻器與PC機進行485通信前，對于MM440的參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。首先將所有參數(shù)復(fù)位到出廠設(shè)置：

　　P0010（調(diào)試參數(shù)過濾器）：30，表示為工廠的設(shè)定值；
　　P970（工廠復(fù)位）＝1，表示所有參數(shù)都復(fù)位到它們的缺省值；
　　設(shè)置參數(shù)：P0700（選擇命令源）＝5，表示C0M 鏈路的USS設(shè)置；
　　PIO00（頻率設(shè)定值的選擇）＝5，表示可通過USS對變頻器進行控制；
　　P2010（USS波特率）＝6，表示通信波特率選9600；
　　P2011（USS地址號）＝1，表示變頻器1的地址為1；
　　P2009（USS規(guī)格化）＝1，表示數(shù)值是以絕對十進制數(shù)的形式發(fā)送[即4000（十進制）（＝0FA0hex）等于40.00Hz]；
　　P2012（USS協(xié)議的PZD（過程數(shù)據(jù)）長度）：2，表示PZD傳輸?shù)氖强刂谱趾驮O(shè)定值，共2個；
　　P1013（USS協(xié)議的PKW 長度）＝4，表示用4個字節(jié)讀寫各個參數(shù)的數(shù)值；
　　P2014（USS的停止傳輸時間（ms））＝X，表示允許用戶設(shè)定一個時間X，在經(jīng)過這個時間以后，如果USS通道接收不到報文，就將產(chǎn)生故障信號F07O。

　　上位機和變頻器通信采用VB6.0編程，程序編制上采用事件驅(qū)動的通信方式。串口每接收16個字符便激活一個OnComm（）事件，在On-Comm（）消息處理函數(shù)中，加入相應(yīng)的處理代碼，實現(xiàn)對變頻器參數(shù)的在線修改。

4 上位機和ARM

　　嵌入式控制器采用三星公司的32位微處理器S3C44B0，芯片的內(nèi)核是16／32位ARM7TDMI精簡指令結(jié)構(gòu)處理器，是一種低功耗，通用微處理器內(nèi)核，特別適合于對價格比較敏感產(chǎn)品的設(shè)計[4]。S3C44B0芯片除了微處理器內(nèi)核外，在芯片中還集成了許多外圍設(shè)備，如8通道10位ADC，1個I2C-BUS控制器，LCD控制器，2通道UART。最重要的是它可以移植操作系統(tǒng)uClinux進行管理。uClinux是一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，它很適合那些沒有MMU（Memory Management Unit）的處理器。沒有MMU 的處理器在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)普遍。針對uClinux內(nèi)核的二進制代碼和源代碼都經(jīng)過重新編寫，以緊縮和裁剪基本的代碼。這就使uClinux和標(biāo)準(zhǔn)Linux 2.0內(nèi)核相比非常小，但它仍然保持了Linux操作系統(tǒng)主要優(yōu)點。

　　本系統(tǒng)中，我們用帶uClinux操作系統(tǒng)的S3C44BOX控制器，用它自帶的一路10位ADC，方便的對拉幅熱定型機的烘房溫度進行較高精度的數(shù)據(jù)采集；通過I2C總線和外圍計數(shù)芯片實現(xiàn)兩路電機轉(zhuǎn)速的采集。一個UART用作485總線接口，與PC機通信；一個LCD控制器直接接3.5寸的STN液晶器，方便觀察。由于uClinux本身已經(jīng)做好網(wǎng)絡(luò)的移植，本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS把嵌入式接入以太網(wǎng)，用戶可以通過瀏覽器訪問該控制系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

　　在拉幅熱定型機中，作為主傳動，帶動布鋏的主、從電機的線速度同步，是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，控制算法通常在PC機中完成，由于本系統(tǒng)采用32位微處理器，所以完全可以在作為下位機的ARM控制器中完成。PC機僅用于監(jiān)測和變頻器通信，大大減輕了負擔(dān)。而且S3C44B0具有很好的移植性，可以作為模塊方便的掛在485總線上。嵌入式控制器S3C44B0和PC機之間，我們定義了下面的收發(fā)協(xié)議，如圖3所示。其中命令包括復(fù)位命令和發(fā)送命令，若接收方在約定時間內(nèi)未收到發(fā)送命令幀，則發(fā)送復(fù)位幀，雙方回到通信程序的開始，清空緩沖區(qū)，然后重新同步，具體流程如圖4所示。

圖3 控制器和PC機通信協(xié)議[!--empirenews.page--]

圖4 控制器通信流程

　　以下為ARM控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的主程序流程：

　　while（1）｛ //主循環(huán)
　　if（recv_cmd（&type）==0）//CRC校驗發(fā)生幀錯誤
　　continue；
　　switch（type）｛
　　case_ADDR： //是本機地址
　　send_ack（_OK，0，dbuf）；//發(fā)送應(yīng)答信息
　　break；
　　case_GETDATA_： //是發(fā)送命令幀
　　len= strlen（dbuf）；
　　send_data（_DATA，len，dbuf）；//發(fā)送采集數(shù)據(jù)信息
　　case_RESET： //是復(fù)位幀
　　break；
　　default：
　　break；//偷令類型錯誤，丟棄當(dāng)前幀后返回
　?。?br />　　    ｝

5 實驗結(jié)果

　　PC機采用VB6.0做上位機監(jiān)控畫面，使用其Activex控件一MSComm，方便地實現(xiàn)了和多臺變頻器及嵌入式控制器的通信。為了使軟件更友好，采用了多文檔（MDI）Windows界面，支持下拉菜單，彈出式窗口，最大限度地方便了用戶的操作。軟件主要由以下幾大模塊組成，即：用戶登陸模塊，實時監(jiān)控模塊、參數(shù)設(shè)定模塊，歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和文件管理模塊。圖5為實時監(jiān)控模塊，它的三塊儀表可以顯示兩臺主、從電機的轉(zhuǎn)速和烘房的溫度，當(dāng)溫度超過或低于設(shè)定值時，烘房溫度報警指示燈會點亮紅色，并發(fā)出報警聲。同樣，當(dāng)主、從電機轉(zhuǎn)速之差超過規(guī)定偏差的2％時，相應(yīng)的報警指示燈也會點亮紅色，并發(fā)出報警聲。中間17個指示燈組成光柱，可以直觀地顯示主、從電機轉(zhuǎn)速的正負偏差。當(dāng)偏差為零時，中間的綠燈亮；有偏差時，兩邊的黃燈亮，偏差量越大，黃燈亮得越多，光柱越長；偏差超限時，位于光柱左、右兩端的紅燈亮，表示主、從電機的轉(zhuǎn)速失去同步，發(fā)出報警停車信號，這種設(shè)計使人機界面更加友好。

圖5 實時監(jiān)控模塊畫面