基于PC/104的工業(yè)注塑機(jī)控制器設(shè)計(jì)

肖鼎新，吳旭光，馮歡歡，侯京鋒

XIAO Ding-xin, WU Xu-guang, FENG Huan-huan, HOU Jing-feng

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)及其控制技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)制造加工技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合越來越緊密。注塑機(jī)是將熱固性材料利用成型模具制成不同形狀塑料制品的主要成型設(shè)備，目前市場上的注塑機(jī)多以單片機(jī)作為處理器或以工控機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)而來，集成度不高，穩(wěn)定性不好，操作不夠直觀，不能適應(yīng)制造加工行業(yè)復(fù)雜的環(huán)境。

PC/104是專為嵌入式工業(yè)控制而定義的專業(yè)總線，在軟件和硬件上與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式PC結(jié)構(gòu)兼容，適合應(yīng)用在具有高精度控制、高速注塑、大容量儲(chǔ)存、人性化界面、良好擴(kuò)展性特點(diǎn)的高檔工業(yè)注塑機(jī)上。本系統(tǒng)上位機(jī)采用昭營公司PC/104結(jié)構(gòu)的VDX-6354系統(tǒng)和Windows XPe 操作系統(tǒng)為硬、軟件核心，下位機(jī)以MSP430F149和μC/OS-II操作系統(tǒng)為硬、軟件核心，以工業(yè)注塑機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，重點(diǎn)研究了PC/104結(jié)構(gòu)上層軟件的開發(fā)，并對(duì)所涉及的硬件資源進(jìn)行了描述，提供了一種基于PC/104的控制器設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具有高精度、可靠性的特點(diǎn)，設(shè)備可以對(duì)目標(biāo)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速捕獲、采集和反饋。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括基于Vortex86處理器的PC/104結(jié)構(gòu)VDX-6354系統(tǒng)，8寸LCD顯示器、CF儲(chǔ)存器、專用64鍵鍵盤和下位機(jī)控制器的通信端口，另外為了方便控制器系統(tǒng)升級(jí)，預(yù)留了網(wǎng)口和USB接口。下位機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)主要包括處理器MSP430F149，A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 上位機(jī)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

PC/104采用ISA總線架構(gòu)，在硬件與軟件上與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式PC體系結(jié)構(gòu)完全兼容，極大方便了外圍硬件設(shè)備的擴(kuò)展。LCD液晶模塊、CF儲(chǔ)存卡以及USB接口等設(shè)備無需底層驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)開機(jī)即自檢設(shè)備正常使用。在系統(tǒng)軟件方面，Windows Xpe保留了Windows所需最小功能，并把相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)核，適合嵌入式開發(fā)和使用。系統(tǒng)首先安裝Windows XPe系統(tǒng)到VDX-6354，以此為平臺(tái)，擴(kuò)展硬件外設(shè)及軟件開發(fā)。

2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

利用Visual C++制作注塑機(jī)的人機(jī)界面窗口，主要包括：主監(jiān)控界面、全自動(dòng)操作界面、半自動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)定界面、系統(tǒng)設(shè)置界面等。可視化是VC編程開發(fā)的特點(diǎn)，在主監(jiān)控界面中，_CMy1Dlg類包含的_OnPoint()函數(shù)和_OnTimer函數(shù)描述注塑機(jī)工作狀態(tài)直觀圖，CMy1Dlg：：DoDataExchange()函數(shù)顯示發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，BOOL CMy1Dlg：：OnInitDialog()函數(shù)初始化圖形界面。作為圖形界面的核心部分，CMy1Dlg：OnPaint()函數(shù)表達(dá)如下：

設(shè)置變量m_6=_T(5); m_10=_T(5); m_13=_T(5); 計(jì)算關(guān)模、座進(jìn)、射出幾項(xiàng)進(jìn)程的時(shí)間，調(diào)用OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)時(shí)被調(diào)用。當(dāng)一個(gè)加工周期結(jié)束時(shí)，從緩沖區(qū)尾取走計(jì)時(shí)總和、數(shù)量總和返回變量m_47,進(jìn)行相應(yīng)處理，主監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 主監(jiān)控界面

2.2 鍵盤的連接

為適應(yīng)注塑機(jī)的實(shí)際需要，配置了一塊基于ZLG7289芯片的專用鍵盤，通過擴(kuò)展Vortex86資源中的GPIO接口實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，使鍵盤具有去抖、連擊鍵處理、雙鍵互鎖等功能。芯片與VDX-6354的接口僅需4根信號(hào)線，方便了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和應(yīng)用層程序的編寫。

通過winio函數(shù)庫可以使32位Windows應(yīng)用程序直接訪問硬件I/O端口，方法是在Visual C++編譯環(huán)境下將winio.lib添加到所建立的工程中，在使用winio函數(shù)時(shí)需要調(diào)用初始使化函數(shù)bool _stdcall InitializeWinIo( );和關(guān)閉函數(shù)void _stdcall ShutdownWinIo( )。讀取鍵值的程序結(jié)構(gòu)為：

2.3 串口通信

VDX-6354系統(tǒng)的COM2端口是RS232/422/485復(fù)合串口，串口類型和波特率參數(shù)可以在BIOS設(shè)置中選擇，系統(tǒng)選用RS485串口與下位機(jī)通信。下位機(jī)系統(tǒng)基于MSP430F149芯片，通過MAX3485可以擴(kuò)展RS485串口。

圖3 MSP430F149擴(kuò)展RS485串口電路圖

在本系統(tǒng)中對(duì)串口的操作包括串口端口設(shè)置、波特率設(shè)置、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位的設(shè)置。對(duì)端口初始化的函數(shù)定義如下：

在程序中設(shè)置m_ctrl_baudrate.GetCurSel()的值m_baude=115200，設(shè)置m_ctrl_databits.GetCurSel()值m_databits=7，指定停止位m_stopbits值為1。

串口接收和發(fā)送模塊的通信協(xié)議功能包括：標(biāo)志一次通信數(shù)據(jù)的開始，標(biāo)志一次通信數(shù)據(jù)的類型，標(biāo)志一次通信數(shù)據(jù)的長度，對(duì)一次通信數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。每一數(shù)據(jù)幀的格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

定義起始字節(jié)為0AAH，結(jié)束字節(jié)為0FFH，參數(shù)與數(shù)據(jù)字節(jié)均采用HEX碼傳送，累加校驗(yàn)和是對(duì)第二字節(jié)到第五字節(jié)進(jìn)行累加和，取單字節(jié)并舍去第七位。若校驗(yàn)正確發(fā)回確認(rèn)信號(hào)，若校驗(yàn)錯(cuò)誤，發(fā)回重發(fā)信號(hào)。

2.4 系統(tǒng)軟件主流程

系統(tǒng)開機(jī)后，首先啟動(dòng)VDX-6354引導(dǎo)進(jìn)入Windows Xpe系統(tǒng)，啟動(dòng)上位機(jī)應(yīng)用軟件，把所涉及到的硬件驅(qū)動(dòng)靜態(tài)加載進(jìn)內(nèi)核中，以備系統(tǒng)主程序在運(yùn)行時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序結(jié)構(gòu)流程圖

系統(tǒng)主程序啟動(dòng)后，首先進(jìn)行自檢，通過后即調(diào)用監(jiān)控函數(shù)，對(duì)從下位機(jī)傳送過來的需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)控。當(dāng)達(dá)到或超越設(shè)置的閾值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。同時(shí)，不斷進(jìn)行鍵盤掃描，根據(jù)鍵值不同判斷要執(zhí)行的任務(wù)類型并執(zhí)行。系統(tǒng)涉及到的相關(guān)功能還包括參數(shù)設(shè)定、關(guān)機(jī)等。

3 下位機(jī)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)軟件采用嵌入式μC/OS-II作為平臺(tái)，對(duì)多路數(shù)據(jù)采集和發(fā)送以及電器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)試，并完善添加了與多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)。

3.1 任務(wù)劃分與優(yōu)先級(jí)確定

本系統(tǒng)中，μC/OS-II通過OSTaskCreate()建立4個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)。初始化任務(wù)TaskIint()的主要功能是系統(tǒng)自檢，優(yōu)先級(jí)定義為1，系統(tǒng)上電后執(zhí)行此任務(wù)；第2個(gè)任務(wù)是TaskUartGet(),主要功能是通過串口接收上位機(jī)指令，為了防止接收命令時(shí)被其他任務(wù)打斷，將其優(yōu)先級(jí)定義為2；第3個(gè)任務(wù)是TaskWork()，優(yōu)先級(jí)定義為3，此任務(wù)由主控模塊完成，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，它是一個(gè)無限循環(huán)，執(zhí)行周期為20ms；第4個(gè)任務(wù)是TaskDataSend()，向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)定義為4，為程序中優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)。

3.2 任務(wù)調(diào)度與通信

本系統(tǒng)中定義的3個(gè)任務(wù)調(diào)度和通信：系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行任務(wù)TaskIint(), 在初始化任務(wù)執(zhí)行完成并返回正常的情況下利用OSTaskDel()函數(shù)將該任務(wù)返回并處于休眠狀態(tài)。此時(shí)TaskUartGet()成為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，執(zhí)行此任務(wù)，通過串口接收來自上位機(jī)的指令參數(shù)，之后執(zhí)行OSTimeDlyHMSM(0,0,0,50)函數(shù)延遲50ms, 在TaskUartGet()掛起中循環(huán)執(zhí)行TaskWork()任務(wù)，使用OSTimeDlyHMSM(0,0,0,20)函數(shù)延時(shí)20ms，即任務(wù)TaskWork()將CPU的控制權(quán)交給其他任務(wù)。當(dāng)任務(wù)TaskWork()執(zhí)行20次后，向任務(wù)TaskDataSend()發(fā)送一次消息，消息中包含需要與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)，在TaskWork()掛起中的20ms中，TaskUartSend()運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。任務(wù)調(diào)度與通信偽代碼結(jié)構(gòu)如下：

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以VDX-6354、MSP430F149、Windows Xpe、μC/OS-II操作系統(tǒng)為硬件及軟件核心，提出了一種注塑機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方法，并著重闡述了軟件部分的設(shè)計(jì)過程。目前，系統(tǒng)已經(jīng)基本調(diào)試完畢，通過了硬件性能檢測。通過實(shí)驗(yàn)測定，表明系統(tǒng)符合功能上的預(yù)期要求，可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要，同時(shí)預(yù)留了相關(guān)硬件接口，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PC/104結(jié)構(gòu)的嵌入式技術(shù)在工業(yè)注塑機(jī)控制器上的應(yīng)用，同時(shí)也是其他工業(yè)控制器設(shè)計(jì)方案的參考。

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