基于嵌入式平臺的彈簧機控制器設計

（中山市拓普康自控設備技術有限公司，廣東 528400）

0 引言

本文基于ARM9TDMI+FPGA的嵌入式硬件平臺和eCOS嵌入式實時操作系統設計彈簧機控制器，實現彈簧機系統高精度的位置控制。比之于臺灣的基于工控PC板的系統，成本更低，集成度更高，運行更穩定可靠。

本設計系列化產品目前已經產業化，以高精度、高可靠性、高性價比的巨大優勢打破了臺灣彈簧機控制器在國內彈簧機市場的壟斷格局，顯著提高了國產彈簧機械的市場競爭力，創造了顯著的經濟效益和社會效益。

1 硬件設計

1.1 系統結構

彈簧機控制器采用整體式結構，4軸伺服電機控制，總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧機系統組成

彈簧機控制器主機提供以下接口：

伺服驅動器控制接口：5個軸控制接口，提供包括脈沖+方向輸出、PC信號輸入、伺服報警信號輸入等；

I/O接口：24輸入/16輸出，輸入接口包括探針、急停、倍率開關（4個輸入）、送線架報警信號、啟動，輸出信號包括8個汽缸；

人機接口：按鍵輸入，LCD顯示，USB接口；

MPG接口：支持手持操作盒接入，包括手搖脈沖發生器信號接入和軸選、倍率等信號的接入。

1.2 硬件結構

控制器硬件部分分為如下主要部件：CPU模塊、FPGA模塊、IO接口、人機接口，結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

CPU模塊采用ARM9TDMI為核心處理器，FPGA實現運動控制所需輸入信號解碼、輸出信號編碼，實現多軸聯動實時運動控制輸出。

IO接口提供信號調理功能：將CPU和FPGA的輸出信號調理成彈簧機各組件設備所能接受的信號、將設備的反饋信號調理使得FPGA和CPU可以處理。

人機接口為用戶提供操作使用系統的接口，顯示彈簧機實時運行狀態。

2 軟件結構

軟件平臺基于eCOS實時多任務操作系統，由各功能模塊有機聯系而構成。軟件結構框圖如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖

底層驅動層為圖形系統和文件系統提供底層驅動，提供eCOS的任務調度管理，提供對USB、鍵盤等接口的驅動。通過eCOS實時多任務管理，將應用軟件層各模塊和硬件驅動層聯系起來，組成系統軟件。

應用軟件大致可分為三個主要任務，即人機界面、數據處理和實時控制。這三個任務的主要功能如下：

1）人機界面

人機界面作為系統和用戶的交互平臺，一方面接受用戶所編寫的程序和指令，另一方面將系統的加工信息反饋給用戶。人機界面采用類Windows界面的MiniGUI圖形庫。

人機界面的功能包括程序的編輯、顯示和管理，系統運行狀態的顯示，參數管理，系統權限管理，在線幫助，U盤操作和限時停機等功能。

2）數據處理

數據處理主要是將加工程序或指令進行解釋、歸一化的處理，為實時控制模塊提供可操作的數據。用戶通過指令式表格的形式編輯程序，支持順序指令、循環指令和跳轉指令，將解釋完成的數據傳送給實時任務。

程序的最大長度為500行，在執行完成之后返回程序首行繼續執行。數據處理任務采用一次性將文件內容讀入緩沖的形式，在本執行周期內數據不會改變。在執行過程中，若用戶修改程序，則在下個執行周期有效。數據處理執行流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程圖

3）實時控制

實時控制作為系統的總控任務，是應用軟件中優先級最高的任務。實時控制需要完成的功能包括：

（1）系統狀態和工作方式的處理，保證系統狀態的唯一性和確定性；

（2）自動方式下的加減速處理和插補計算；

（3）手動方式下的處理，包括手動進給的加減速；

（4）原點方式下的返回原點處理；

（5）測試方式下的運行處理；

（6）I/O端口的管理。

實時控制任務每4ms（或者2ms）調度執行一次，且優先級最高；數據處理任務每16ms調度執行一次；人機界面作為主程序，不參與系統任務的調度，作為背景程序始終在空閑時間內運行。這樣，系統的調度周期是確定的、固定的，每個任務按照設定的時間節拍運行。

系統的4ms定時中斷由硬件FPGA提供，不僅能夠保證任務運行節拍的一致性，而且時鐘中斷源保證唯一性。這樣，系統將不會在中斷程序中處理這些任務，只是在中斷服務程序中把這些任務喚醒，然后就退出中斷，既可以提高系統的響應能力，又可以從軟件方面保證系統的準確定時。

3 軟件實現

3.1 軸配置

不同的彈簧機機型需要不同的軸控配置，二軸控制應用包括凸輪軸和送線軸，三軸控制包括凸輪軸、轉芯軸和送線軸，五軸控制是在三軸控制的基礎上增加卷取軸和夾耳軸，或者是上、下切刀軸。本設計最大支持5軸控制，根據具體的彈簧機機型需求，控制軸數可在1到5軸之間靈活設置，對應著運行不同的控制程序，以滿足具體的應用需求。

按照行業規范軸的指示代號有固定的約定：X軸表示凸輪軸、Y軸表示送線軸、Z軸表示轉芯軸、A軸表示卷取軸和B軸表示夾耳軸。如果不需要其中某軸參與運動，可直接通過面板按鈕禁止該軸。采用這種方法，機床的調試比較容易，不需要進行過多的參數設置。

3.2 運動控制

彈簧機控制器的運動控制，每個軸可以單獨運動，也可以進行聯動。各軸之間的運動關系均為直線插補，在運動過程中根據具體彈簧成型控制的需求，需要檢測探針的信號。

程序運行時，先將整個程序讀入緩沖，順序解釋指令并將數據填充到插補緩沖區，在數據處理的過程中需要注意以下四個問題：

1）運動指令的區分，是進行聯動還是順序運動，那么需要一個標志給插補；

2）遇到條件跳轉指令時，需要等待插補的運行結果再決定處理順序；

3）遇到循環指令時，直接將指令解釋后送給插補緩沖區；

4）當運行過程中修改程序時，待整個程序執行完之后將文件重新載入。

實時控制部分取得數據之后，根據軸的運動關系進行插補。插補過程中有兩種形式：一種是聯動，相關軸進行直線插補；另一種是順序運動，即某個軸先直線運動，待運動完成之后再執行其他軸的運動。在有些過程中，需要檢測探針的信號，如果探針信號檢測到，則跳到下一行執行；如果探針信號未檢測到，則給出記錄探針失敗次數，達到探針失敗設定最大值時報警。運動控制采用前直線加減速方式，段和段之間需要準停控制，不采用前瞻處理。在運動過程中，可以通過手輪實時修改倍率，倍率范圍是0～300%。

3.3 數據處理

控制器的數據處理過程大致可分為4部分，如圖5所示。

1）文件信息

文件信息主要是人機界面將數據傳送給數據處理，主要包括文件名稱，數據處理任務在得到文件名稱之后，讀取文件內容，開始進行數據處理。

如果在運行過程中，用戶修改了程序內容，那么待收到修改完成信號之后，人機界面將該標志傳給數據處理，數據處理在整個程序執行完后，重新讀取文件內容。

圖5 數據處理模塊圖

系統不支持從文件任意行啟動，每次按下“啟動”按鈕之后，數據處理任務從文件首行開始進行處理。

2）程序數據

程序數據是數據處理任務將文件內容進行處理之后的數據，并且傳送給實時控制任務。數據處理在將探針檢測信號送給實時控制時，需要等待運行結果；另一個需要實時控制任務給出程序啟動標志，這個數據結構比較簡單，還可以使用函數調用的方式實現，這里就不再列出了。

3）非易失數據

數據用來保存一些需要掉電記憶的數據，比如設定的零件數和已完成的零件數，當前載入的文件名稱，數據量應該比較少。這部分數據實時寫入NVRAM中，掉電不會丟失。

4）實時信息

這部分數據是實時運行過程中的信息，其數據結構如下所示：

5）其他數據

彈簧機控制器不需要進行刀偏和刀補，所以這方面的數據文件可以不用考慮。參數以數據文件的形式進行存儲，上電后系統對參數文件進行校驗。

3.4 程序指令格式

由于該系統指令相對比較簡單，面對用戶的指令為表格式編程指令，而后臺程序指令格式可描述為：每行的程序使用字母加數值的方式組成指令字、指令字間有空格分割，每行由換行符號分割，文件結束標志代表程序的結束。

4 結束語

本文設計的彈簧機控制器，采用了嵌入式平臺，經實際驗證，比市場上原來的主流產品工作更加穩定，且成本更低，有效推動了行業的發展，使得國內彈簧加工行業降低了總體設備開銷，更具競爭力。同時該系列產品也為公司帶來良好的經濟效益。

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