基于ＰＩＣ單片機的干式復合機控制系統的設計

摘要：該文設計了基于單片機（Pic18f66j10）的干式復合機控制系統。單片機（Pic18f66j10）作為主MCU，擴展多路模擬量（電壓和電流）輸入輸出、數字量輸入輸出、信號量通信等端口，組成現場總線控制系統的TFB模塊，控制多電機的干式復合機，完成張力的控制，實現真正的速度聯動。

關鍵詞：現場總線控制系統；Pic18f66j10微控制器；TFB模塊；干式復合機

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)26-1829-02

The Dry-compound Machine Control System Based on the PIC Singlechip

CHENG Fei

(China Network Communications Group Corporation， Zhuhai 519000， China)

Abstract: This paper designed dry-compound machine based on the PIC singlechip. Using Pic18f66j10 as MCU， extend multiply anolog signal input and output， digital signal input and output， communication port and so on. These parts constitute my TFB module， control dry-compound machine control system which use multiply electromotors.

Key words: filed-bus control system; pic18f66j10 micro control unit; TFB module; dry-compound machine

1 引言

在當今世界，自動化控制技術由于其智能化、便利性等特點應用非常廣泛，并且發展潛力相當巨大，在工業生產、軍事活動、醫學治療、制造業、等領域都有廣泛的應用。TFB模塊是一種適用于工業自動控制行業的現場總線控制系統，在嵌入式行業有著廣泛的應用，可以用它來控制干式復合機、印刷機等設備。當采用以PIC單片機為核心的控制系統來控制干式復合機的復合過程時，TFB作為主控模塊來完成張力控制以實現真正的主復合電機與從涂膠部分控制電機和收卷部分控制電機的速度聯動，采用張力傳感器或張力浮動輥來進行張力反饋，采用變頻器來驅動變頻電機使主從速度同步。其內部的控制程序能夠自動計算出收卷的卷徑，實現錐度張力的控制等，使各部分速度達到一致，從而提高收卷的質量。

2 干式復合系統的工作原理

現場總線控制系統TFB模塊以PIC單片機（Pic18f66j10）作為主MCU，擴展多路模擬量（電壓和電流）輸入輸出、數字量輸入輸出、信號量通信等端口，控制多電機的干式復合機，實現張力的控制和電機速度聯動。TFB控制系統主要是以Microchip公司的Pic18f66j10單片機為核心。系統采用張力傳感器或張力浮動輥來進行張力反饋，反饋信號經過主MCU按程序設計的算法運算后，輸出控制信號到變頻器，用變頻器來驅動變頻電機使之與設定的主電機速度同步。置于TFB模塊內部的控制程序能夠自動計算出收卷的卷徑，實現錐度張力的控制等，使各部分速度達到一致，從而提高干式復合機收卷的質量。用TFB控制電機干式復合機的實際裝配簡圖如圖1所示。

3 系統硬件設計原理

3.1 控制系統設計原理介紹

本干式復合機系統主要由TFB模塊控制各部分電機聯動協調工作，確保每部分張力大小滿足要求。由于TFB模塊的輸入輸出端口有限，在實際應用中一般加擴展模塊擴展輸入輸出端口，擴展TFB模塊及控制信號資源分配如圖2。

3.1.1 PIC的A/D(模/數)轉換模塊

Pic18f66j10芯片有11路模擬輸入A/D通道，精度高達10位。本TFB模塊中，有四路模擬量輸入：兩路電壓和兩路電流。模擬量輸入（電壓電流）信號經過Pic外部的轉換電路，轉換成0－5V電壓信號，由再Pic18f66j10的A/D轉換模塊采樣電壓信號，進行處理。

3.2 硬件外圍電路設計

外圍電路的設計，包括三大組成部分：1）TFB模塊供電電源部分；2）Pic18f66j10微控制芯片及其外部擴展電路；3）EMP240(CPLD)組成的擴展TFB模塊通信電路。

3.2.1 系統供電部分

TFB模塊由外部提供＋24V電源供電。輸入的+24V電源經過由NCP1200開關電源管理芯片控制的開關電源轉換電路，通過高頻變壓器變壓出多路輔助電源，供TFB模塊內部各芯片使用。

本模塊輔助電源電路，能輸出+15V、-15V、+5V、+3.3V四路電源。+15V、-15V電源提供給第二部分電路中的運算放大器用；+5V提供給第二部分電路中的D/A轉換芯片，及通信電路用；＋3.3V提供控制芯片Pic18f66j10和EMP240的電源。

3.2.2 Pic18f66j10及其擴展電路

TFB模塊有四路模擬量輸出：兩路電壓輸出與兩路電流輸出。Pic18f66j10輸出數字信號，控制外部D/A轉換芯片MCP4922。兩片MCP4922分別控制電壓轉換輸出電路和電壓－電流轉換輸出電路。

MCP4922的控制信號是以SPI (Serial Periphery Interface)通信方式輸入的，DACS為片選信號輸入端、DASCK為同步時鐘信號輸入端、DASDO為要轉換的數字量輸入端，DALOAD是MCP4922芯片數據裝載信號輸入端，每下降沿一次，完成一次D/A轉換輸出。

由D/A輸出的模擬電壓信號，在0-5V范圍內，需要轉換電路轉換成有一定驅動能理的兩路0-10V電壓信號和兩路0-20mA的電流信號，電壓轉換輸出電路和電壓－電流轉換輸出電路。如圖3、圖4所示。

換電路原理圖

Pic18f66j10輸出數字信號的驅動能力有限，若要輸出具有一定驅動能力的數字量，需要外加增強驅動電路。

3.2.3 TFB擴展模塊通信部分

本TFB模塊能外接擴展模塊，內部有EMP240組成的可擴展的通信接口，方便用戶擴展模塊使用。EMP240為CPLD（Complex Programmable Logic Device）是Complex PLD的簡稱。CPLD一種復雜的可編程邏輯元件，可根據用戶要求，用硬件描述語言編程來實現各種復雜的集成數字硬件電路，代替了傳統的分立的與、或、非、計數器等芯片?；痉椒ㄊ墙柚砷_發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（“在系統”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。

4 系統軟件設計原理

Pic18f66j10單片機的集成開發環境（MPLAB）允許使用匯編語言和C語言進行軟件程序開發， 本系統程序全部由C語言開發完成。根據程序實現TFB模塊控制功能的不同，可以將整個軟件劃分為四大模塊——復合部、涂膠部、收卷部A、收卷部B；根據程序的內容可以分為：主分時操作程序、控制外部動作的子函數程序、PID運算程序、控制A/D、D/A程序、及通信程序。本文著重介紹系統的硬件部分，故對于軟件部分僅對主程序的設計做簡略說明。

4.1 主程序的設計思想

主程序采用分步分時方法執行控制模塊子程序，模塊子程序主要分七個部分：1）按鍵處理程序；2）邏輯狀態位查詢程序；3）涂膠部分運動控制；4）收卷部分運動控制；5）收卷半徑計算；6）收卷錐度張力計算；7）通信程序。

主程序信號框圖如圖5所示。

5 結論

通過程序設計控制實際干式復合機的工作過程以及輸入輸出的量的變化關系，確保張力按要求變化。以上基于TFB模塊作為核心設計的干式復合機，通過實際檢測并與TFB模塊控制系統連接使用表明，完全可以控制干式復合機的正常工作。本TFB模塊控制系統，智能化效果理想。集成程序內各種算法，都是在長期實際應用中探索出來的，可靠性強，該系統的設計趨于人性化，操作方便，容易掌握。

參考文獻：

[1] 劉和平，余紅欣.PIC18FXXX 單片機原理及接口程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社.2004.

[2] 趙亮，候國銳.PIC單片機C語言編程與實例[M].北京:人民郵電出版社，2003.

[3] 韓宇輝，周汝雁，張馳，等.基于嵌入式結構的復合機測控系統[J].河南科學，2004，(02):96-98.

[4] 趙志誠，王宏剛，齊向東，等.串行通信的實現及在測控系統中的應用[J].控制工程，2003，10(5):441-443.

[5] 何新軍，熊幸明.基于多線程技術的PLC與PC在電機測控系統中的實現[J].組合機床與自動化加工技術，2004，(4):89-90.

[6] 劉康，王宣銀.嵌入了TCP/IP協議的單片機數據通信系統的設計與實現[J].電測與儀表，2003，40(6):43-45.