基于ARM和FreeRTOS的劍桿織機主控系統(tǒng)設(shè)計

沈小其，何 勇

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201600）

0 引言

劍桿織機是應(yīng)用數(shù)量最多的無梭織機之一，隨著電子和機電一體化技術(shù)在織造機械上的應(yīng)用日益成熟，劍桿織機不斷地朝著高速、高效、智能、節(jié)能和模塊化的方向發(fā)展[1]。國內(nèi)劍桿織機由于起步較晚，在最高設(shè)計轉(zhuǎn)速上國內(nèi)劍桿織機雖已經(jīng)接近國外產(chǎn)品，但從穩(wěn)定性和品種適應(yīng)能力上，與國外高端劍桿織機仍有不小的差距，在智能化、集成化和可靠性上，國內(nèi)劍桿織機發(fā)展水平還落后于國外先進技術(shù)水平[2]。針對國內(nèi)劍桿織機發(fā)展的不足以及高端劍桿織機的發(fā)展需求，設(shè)計了以STM32F439為核心，結(jié)合FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的劍桿織機主控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

劍桿織機控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)及其外圍模塊組成，外圍模塊包括送經(jīng)卷取系統(tǒng)、電子多臂、選緯器、儲緯器等，整體框架如圖1所示[3]。從五大運動控制的角度分析，電子多臂驅(qū)動綜框控制開口運動；送經(jīng)卷取系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動經(jīng)軸控制送經(jīng)運動，驅(qū)動卷取輥控制卷取運動；主軸電機通過凸輪機構(gòu)帶動引緯劍桿和鋼筘，實現(xiàn)引緯運動和打緯運動。主控系統(tǒng)通過識別主軸實時角度，以主軸角度為時序基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)控制外圍模塊，實現(xiàn)五大運動的控制。此外，主控系統(tǒng)還具有人機界面交互、信號輸入檢測等功能，通過對探經(jīng)信號、探緯信號的識別觸發(fā)經(jīng)停、緯停，與人機界面通信顯示織機狀態(tài)或報警信息。人機界面主要功能為工藝參數(shù)設(shè)定和織機狀態(tài)顯示，人機界面采用工業(yè)觸摸屏方案，使用組態(tài)軟件進行界面設(shè)計。

圖1 劍桿織機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計

劍桿織機控制系統(tǒng)輸入輸出信號繁多，且對實時性要求較高，因此主控系統(tǒng)芯片選擇高性能的STM32F439系列芯片，最高頻率可達180MHz，計算能力強大，擁有16個高級定時器，可用于實現(xiàn)主軸電機PWM的精確控制；片上集成2個CAN控制器，可用于電子多臂和送經(jīng)卷取系統(tǒng)的通信；140個通用I/O接口，滿足各路信號采集和控制信號輸出的引腳數(shù)量需求。STM32F439芯片片上資源十分豐富，滿足劍桿織機控制系統(tǒng)的設(shè)計需求。主控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

為解決控制系統(tǒng)各部分對電源電壓需求不同的問題，設(shè)計了電源模塊。系統(tǒng)需要的電壓有STM32F439、SRAM擴展芯片和FLASH擴展芯片的3.3V供電以及RS232、RS485、CAN通信和USB需要的5V供電，因此系統(tǒng)從制動電路引入降壓后的24V電源，再通過LM117-5.0和LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片為主控模塊提供5V電源和3.3V電源。

利用STM32F439的靈活存儲控制器（Flexible memory controller，簡稱FMC），可以快速解決片上存儲資源不足的存儲擴展問題。由于存儲花型和掉電現(xiàn)場保護存儲數(shù)據(jù)需要大量ROM空間，因此通過FMC擴展8M的FLASH，具體型號為EN29GL128H。控制系統(tǒng)移植FreeRTOS操作系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)下每個任務(wù)需要分配堆棧，占用大量RAM空間，片上集成的512K內(nèi)存可能出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況，因此通過FMC擴展8M的SRAM，具體型號為IS62WV51216，其讀寫時間是10ns，完全滿足劍桿織機控制系統(tǒng)的設(shè)計需求。

劍桿織機主控系統(tǒng)與人機界面通過USART接口進行通信，由于人機界面的通信接口為RS232標(biāo)準(zhǔn)，因此需要設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路，通過MAX232芯片將RS232電平轉(zhuǎn)化為TTL電平，硬件原理如圖3所示。

圖3 RS232通訊電路

CAN通信采用高速型的TJA1050芯片，理論通信速度可達到1Mbps，為提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，在與主控芯片的接口電路上設(shè)計了光電隔離電路，為符合通信速率的要求，選用了高頻響應(yīng)的TLP115光耦芯片。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 模塊化軟件設(shè)計

為了縮短軟件開發(fā)周期，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計，結(jié)合劍桿織機控制系統(tǒng)輸入輸出信號數(shù)量有限且始終工作在有限個狀態(tài)之間的特點，因此利用有限狀態(tài)機（Finite State Machine，簡稱FSM）原理對劍桿織機控制系統(tǒng)建模，完成劍桿織機控制系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計的規(guī)劃[4]。

FSM模型通常使用狀態(tài)圖轉(zhuǎn)移來表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系和動作行為的觸發(fā)條件，橢圓節(jié)點表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系用帶箭頭的弧線表示，弧線上附加狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，劍桿織機控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4 劍桿織機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

FSM模型根據(jù)是否使用輸入信號分為Morre型和Mealy型兩種[5]，Morre型FSM的輸出只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型FSM的輸出不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而且與所有輸入信號有關(guān)。劍桿織機控制系統(tǒng)將按鈕輸入信號、編碼器、張力傳感器等反饋信號和工藝參數(shù)等通過劍桿織機控制系統(tǒng)的控制算法的計算，輸出對送經(jīng)卷取、電子多臂、選緯探緯、電子剪刀等模塊的控制命令，使織機完成特定的織造動作，如快速織造，正找緯、反找緯、急停，復(fù)位等動作。因此，劍桿織機控制系統(tǒng)對應(yīng)的FSM模型為Mealy型。

Mealy型FSM模型可用以下關(guān)系式表示：

式中：

S—為狀態(tài)有限集合，S={s0，s1，s2，...sn}；

s0—為系統(tǒng)初始狀態(tài)；

Σ—表示所有輸入的有限集合；

∧—表示所有輸出的有限集合；

T—表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；

G—表示動作輸出函數(shù)；

將劍桿織機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計模塊與有限狀態(tài)機模型要素一一對應(yīng)，得到劍桿織機控制系統(tǒng)軟件模塊劃分結(jié)果如表1所示。

表1 劍桿織機軟件模塊與FSM模型要素映射表

程序設(shè)計中，利用RUN值表示劍桿織機的當(dāng)前狀態(tài)，通過對RUN值的賦值實現(xiàn)劍桿織機狀態(tài)的切換。信號輸入采集模塊定時采集所有劍桿織機控制有關(guān)的輸入信號。控制函數(shù)模塊是實現(xiàn)劍桿織機控制的硬件底層操作，是包括CAN通信操作、Modbus通信操作、I/O口操作的輸出控制集合。狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊是根據(jù)輸入信號改變RUN值、實現(xiàn)狀態(tài)切換的函數(shù)。織造控制模塊是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件，調(diào)用控制函數(shù)模塊輸出具體控制命令的功能模塊，包括快速織造控制程序、慢車控制程序、正找緯控制程序、反找緯控制程序和停車控制程序等。劍桿織機主控系統(tǒng)軟件如圖5所示。

圖5 劍桿織機主控系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 基于FreeRTOS的軟件實現(xiàn)

為了提高劍桿織機控制系統(tǒng)的實時性和可靠性，為劍桿織機控制系統(tǒng)移植了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)。FreeRTOS操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的功能包括任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理和記錄功能等，能高效分配CPU使用權(quán)限，提高系統(tǒng)實時響應(yīng)能力[6]。控制系統(tǒng)軟件在FreeRTOS實時操作系統(tǒng)上實現(xiàn)的主要工作包括任務(wù)優(yōu)先級的設(shè)定和任務(wù)通信方案設(shè)計。

任務(wù)調(diào)度是實時操作系統(tǒng)的主要功能，對于可剝奪型內(nèi)核的FreeRTOS而言，任務(wù)優(yōu)先級是實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的基礎(chǔ)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)中優(yōu)先級值越大，優(yōu)先級越高。任務(wù)優(yōu)先級的分配遵循實時性要求越高，任務(wù)優(yōu)先越高的原則，織造過程控制模塊的實時性要求較高，因此優(yōu)先級分配為80。其次優(yōu)先級分配還應(yīng)遵循信號輸入采集任務(wù)比邏輯處理任務(wù)的優(yōu)先級高的原則，因此信號輸入模塊優(yōu)先級高于狀態(tài)遷移模塊，分別為75和70。對于實時性要求不高的循環(huán)任務(wù)，則分配較低的優(yōu)先級。

任務(wù)通信是多任務(wù)實時系統(tǒng)重要組成部分，任務(wù)通信可以實現(xiàn)讓一個任務(wù)控制另一個任務(wù)、在任務(wù)間傳遞信息或數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)任務(wù)同步等功能。任務(wù)間通信的方式主要有全局變量、共享內(nèi)存、信號量、郵箱、消息隊列等[7]。劍桿織機控制系統(tǒng)設(shè)計中最主要的任務(wù)通信方式是信號量，以中斷與任務(wù)同步為例，說明二值信號量在劍桿織機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

中斷服務(wù)的設(shè)計應(yīng)遵循快進快出的原則，因此劍桿織機控制系統(tǒng)采用中斷與任務(wù)通過信號量同步的方案實現(xiàn)快進快出。如圖6所示，當(dāng)未滿足執(zhí)行條件時，二值信號量無效，處理任務(wù)進入阻塞態(tài)，不被執(zhí)行。當(dāng)滿足條件時，進入中斷服務(wù)程序，釋放信號量，快速退出中斷服務(wù)程序，處理任務(wù)執(zhí)行xSemaphoreTake()函數(shù)的返回值為pdTure，任務(wù)從阻塞態(tài)進入就緒態(tài)，被FreeRTOS任務(wù)調(diào)度器調(diào)用，執(zhí)行任務(wù)后續(xù)操作，實現(xiàn)任務(wù)同步。

圖6 中斷與任務(wù)同步

為驗證高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下主軸角度捕獲的完整性，將阻塞態(tài)設(shè)定一個最大阻塞時間，在快速織造過程中，若處理任務(wù)在阻塞態(tài)超過最大阻塞時間，說明至少有一個周期沒有捕獲到該處理任務(wù)對應(yīng)的主軸角度，控制系統(tǒng)處于錯誤的運行位置，處理任務(wù)執(zhí)行xSemaphoreTake()函數(shù)的返回值為pdFalse，從而停車報警。因此運用FreeRTOS阻塞超時機制可以有效地監(jiān)控主軸角度捕獲的完整性，從而提高系統(tǒng)可靠性。

3.3 人機界面軟件設(shè)計

工業(yè)觸摸屏在劍桿織機控制系統(tǒng)中有系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)報警等功能，是劍桿織機控制系統(tǒng)的重要組成部分。工業(yè)觸摸屏主要有西門子觸摸屏和威綸通觸摸屏兩種[8]，西門子觸摸屏價格相對較高，開發(fā)軟件功能完善但上手難度更大。威綸通觸摸屏性價比高，開發(fā)環(huán)境Easy Builder Pro具有容易上手，界面親和，元件豐富的特點，更適合劍桿織機控制系統(tǒng)實的研發(fā)和設(shè)計需求。本文的人機界面采用威綸通TK6071IQ，人機界面設(shè)計框圖結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 界面設(shè)計框圖

4 系統(tǒng)測試

為測試控制系統(tǒng)的實際性能，搭建了如圖8所示的仿真實驗平臺，以直流電機模擬主軸轉(zhuǎn)動，通過絕對編碼器建立閉環(huán)控制。人機界面通過RS232與主控系統(tǒng)通信，主控系統(tǒng)通過J-link與上位機通信，方便在線調(diào)試。

圖8 控制系統(tǒng)測試平臺

4.1 控制系統(tǒng)實時性測試

實時性是控制系統(tǒng)一個非常重要的參數(shù)，時間參數(shù)的測量方法根據(jù)測量原理的不同可分為硬件測量和軟件測量兩種，軟件測量可以通過系統(tǒng)調(diào)用讀取系統(tǒng)時鐘實現(xiàn)測量，其測量結(jié)果由于系統(tǒng)無法提供足夠精度的時鐘節(jié)拍而存在一定的誤差。硬件測量主要通過示波器捕獲系統(tǒng)管腳輸入輸出的變化，從而計算時間參數(shù)，其結(jié)果較為精確[9]。為測試控制系統(tǒng)的實時性，針對任務(wù)切換時間和CAN通信響應(yīng)時間兩個關(guān)鍵時間參數(shù)設(shè)計了基于硬件測量的測試方法，并進行了實際測試。

任務(wù)切換時間指操作系統(tǒng)從滿足任務(wù)切換條件開始到完全完成任務(wù)切換所用的時間。測試結(jié)果如圖9(a)所示，任務(wù)切換的響應(yīng)時間約為2.560us。

圖9 實時性響應(yīng)測試結(jié)果

CAN通信響應(yīng)時間指從發(fā)起CAN通信開始到進入中斷，完成任務(wù)切換進入CAN通信程序這段時間。測試結(jié)果如圖9(b)所示，響應(yīng)時間約為3.250us。通過測試得出，控制系統(tǒng)實時性高，滿足高速劍桿織機控制系統(tǒng)的工作需求。

4.2 人機交互通信測試

人機交互界面是控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，為驗證控制系統(tǒng)主控與人機交互界面的通信是否正常，對人機交互界面部分功能進行了測試，測試結(jié)果如圖10所示，人機界面能正確讀取主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)并顯示。

圖10 人機交互通信測試結(jié)果

4.3 主要功能測試

劍桿織機控制系統(tǒng)的主要功能是控制各個模塊有序配合進行快速制造，為驗證控制系統(tǒng)的功能是否正常，通過串口通信連接PC端口，在各個控制節(jié)點設(shè)置檢測節(jié)點，通過串口通信將運行結(jié)果發(fā)送到PC端，在轉(zhuǎn)速700r/min的情況下得到測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 快速織造功能測試

對照劍桿織機織造動作時序表，可以得出控制系統(tǒng)控制信號輸出正常，中途不曾發(fā)生由于信號阻塞造成超時的情況，說明主軸角度捕獲完整，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語

本文針對國內(nèi)現(xiàn)階段高端劍桿織機的不足，設(shè)計了基于ARM和FreeRTOS的劍桿織機主控系統(tǒng)。采用STM32F439為核心，結(jié)合FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的方案，能夠有效提高劍桿織機控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)測試階段表明，系統(tǒng)的實時響應(yīng)性良好，在700r/min的高速運轉(zhuǎn)環(huán)境下，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)主軸角度捕獲遺漏的情況，能穩(wěn)定、高效地完成劍桿織機的織造任務(wù)。