基于CORTEX-M3和CAN的印染機(jī)同步控制系統(tǒng)

摘要：為了增加印染聯(lián)合機(jī)的性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)印染聯(lián)合機(jī)同步控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化，在此采用基于CORTEX-M3內(nèi)核和CAN總線的印染聯(lián)合機(jī)同步控制系統(tǒng)。在設(shè)備選型上面放棄了以往PC機(jī)當(dāng)作總控制器的設(shè)計(jì)，而是采用便攜性更高的嵌入式處理器。在單元控制器方面，采用了基于ARM最新CORTEX-M3內(nèi)核的處理器。它具有高的處理速度，高精度的D／A、A／D轉(zhuǎn)換，以及CAN總線控制器。實(shí)驗(yàn)表明這種印染聯(lián)合機(jī)的設(shè)計(jì)能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步控制，同時(shí)降低了成本，以及開(kāi)發(fā)難度。
關(guān)鍵詞：CORTEX-M3；CAN總線；同步控制；嵌入式處理器

0 引言
    隨著社會(huì)生活的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)在的印染品的要求也越來(lái)越高，特別是布匹與包裝外殼，那么對(duì)現(xiàn)代印染工藝的要求也越來(lái)越高。隨著工藝的增加，對(duì)印染設(shè)備是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，這里面最主要的是大型印染聯(lián)合機(jī)中多電機(jī)的同步控制問(wèn)題。
    在印染設(shè)備中，電機(jī)的同步控制主要有3方面決定：一是處理器對(duì)張力傳感器數(shù)據(jù)的處理速度，以及電機(jī)對(duì)張力傳感器的反應(yīng)速度；二是不同的電機(jī)組之間機(jī)械性能的差異以及它們產(chǎn)生的實(shí)時(shí)同時(shí)控制問(wèn)題；三是控制單元與各電機(jī)組之間的通信問(wèn)題，包括速率，抗干擾等。傳統(tǒng)印染聯(lián)合機(jī)的做法是采用單片機(jī)加AD／DA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與執(zhí)行，也有為了提高數(shù)據(jù)的處理能力而采用DSP加單片機(jī)的做法。隨著現(xiàn)在技術(shù)的發(fā)展，在研究了基于ARM的CORTEX-M3內(nèi)核的處理器加CAN總線的分總系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
    總控制器和單元控制器，采用ST公司推出的基于ARM公司Cortex-M3核的STM32F103芯片嘗試進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在提高系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低了成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有印染設(shè)備的對(duì)接問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    根據(jù)現(xiàn)有印染行業(yè)的印染聯(lián)合機(jī)的具體情況，主要針對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。
    在大型印染聯(lián)合機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要考慮的是多電機(jī)的同步控制問(wèn)題，需要保證布匹在傳送的過(guò)程中要平穩(wěn)，不能因?yàn)殡姍C(jī)的不同步而造成張力過(guò)大從而使布匹過(guò)度拉伸，也不能因?yàn)閺埩Φ牟蛔愣斐刹计サ鸟薨櫋Ｔ诖笮陀∪韭?lián)合機(jī)中根據(jù)工藝的復(fù)雜與簡(jiǎn)單，需要同步的電機(jī)從8個(gè)到40多個(gè)不等，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)保證了可以根據(jù)工藝的不同自主的擴(kuò)展單元控制器的個(gè)數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)的組成
    系統(tǒng)主要由主控制器，單元控制器，CAN總線網(wǎng)絡(luò)，以及變頻器組成。
    主控制器是系統(tǒng)的主控單元，主要功能是顯示和控制整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的工作狀態(tài)，以及設(shè)置和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總要工作參數(shù)，如布速，張力傳感器的靈敏度。協(xié)調(diào)各單元控制的工作狀態(tài)。
     單元控制器的功能主要是微調(diào)張力傳感器的靈敏度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)張力傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)各張力傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)輸出電壓從而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)電機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，例如張力傳感器失靈的處理，以及電機(jī)失速的處理。
1．3 單元控制器的具體設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)中我采用的是基于ARM的CORTEX-M3內(nèi)核的芯片-STM32f103RCT6如圖2所示。它的特點(diǎn)有：STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv 7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，提供很高的代碼效率；工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)256KB的FLASH存儲(chǔ)器和48KB的SRAM。

    它內(nèi)部集成了12位的A／D以及雙通道的12位的D／A，還有專門(mén)面向工業(yè)控制的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)，它提供兼容規(guī)范2．0A和2．0B(主動(dòng))，位速率高達(dá)1 Mb／s。它可以接收和發(fā)送11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接收和發(fā)送29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)接收FIFO，3級(jí)14個(gè)可調(diào)節(jié)的濾波器。
1．4 CAN總線接口設(shè)計(jì)
    因?yàn)镾TM32的CAN總線控制器的邏輯電平均采用LVTTL，所以采用德州儀器公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器SN65HVD230。SN65HVD230可用于較高干擾環(huán)境下。它采用差分接收，具備抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾能力。6N137構(gòu)成的隔離電路，這樣就可以很好地實(shí)現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。增加隔離電路雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，但它卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。此外，為避免信號(hào)反射，導(dǎo)致通信的可靠性與抗干擾能力下降，甚至無(wú)法通信，因此，在CAN總線的兩端需要加有2個(gè)120Ω的總線阻抗匹配電阻。CAN接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 系統(tǒng)工作原理
    系統(tǒng)的工作原理主要包括4部分：系統(tǒng)的工作前的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的啟動(dòng)，工作中的時(shí)時(shí)同步調(diào)節(jié)以及對(duì)故障的處理。
    (1)在系統(tǒng)工作前，因?yàn)橛∪驹O(shè)備的各電機(jī)單元機(jī)械部分屬性不可能都相同，所以要在傳送布匹前調(diào)節(jié)各個(gè)部分的運(yùn)轉(zhuǎn)同步系數(shù)Li使其沒(méi)有負(fù)載時(shí)線速度一樣。在這里一般設(shè)置第1個(gè)單元控制器的第1個(gè)電機(jī)單元為主令單元，其他的為從動(dòng)單元。需要調(diào)節(jié)個(gè)從動(dòng)電機(jī)單元的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與主動(dòng)單元的線速度一致。這個(gè)系數(shù)Li設(shè)置后就在以后的運(yùn)行中固定下來(lái)。
    (2)系統(tǒng)的啟動(dòng)是由主控制器先向各單元控制器發(fā)出控制命令，包括設(shè)置布速V，以及達(dá)到布速v的上升時(shí)間間隔，然后主控制器給出總的啟動(dòng)命令，單元控制器根據(jù)主控制器的命令設(shè)置對(duì)應(yīng)的8路信號(hào)輸出，從而控制各電機(jī)單元按照預(yù)先的設(shè)置的上升時(shí)間間隔運(yùn)轉(zhuǎn)至設(shè)定的轉(zhuǎn)速。
    (3)系統(tǒng)工作中的調(diào)節(jié)，根據(jù)印染聯(lián)合機(jī)的實(shí)際工作中，當(dāng)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，會(huì)改變張力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)公式：
    Vout=V0Li+KiFi       (1)
    式中：Vout為D／A轉(zhuǎn)化的輸出電壓；Li為系統(tǒng)啟動(dòng)前設(shè)置的運(yùn)轉(zhuǎn)同步系數(shù)；V0為主動(dòng)電機(jī)單元的D／A輸出電壓；Fi為張力傳感器的輸出；Ki為VOUT輸出對(duì)張力傳感器輸出反饋Fi的靈敏性。通過(guò)輸出反饋Fi，在電機(jī)的控制端組成了一個(gè)小的閉環(huán)系統(tǒng)。張力傳感器示意圖如圖4所示。

    張力傳感器反饋調(diào)節(jié)同步的基本原理：在正常狀態(tài)，傳感器的觸點(diǎn)停在中間狀態(tài)，這是傳感器的輸出電壓為零，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，造成布匹的張力變大時(shí)，會(huì)造成張力傳感器的觸點(diǎn)向下移動(dòng)，這是傳感器的輸出會(huì)變?yōu)樨?fù)值，這是根據(jù)式(1)，Vout的值會(huì)減小，也就減慢了相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣就可以達(dá)到同步的目的。
    (4)對(duì)故障的處理：在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不能絕對(duì)保證系統(tǒng)會(huì)毫無(wú)故障的運(yùn)行，根據(jù)以往的印染聯(lián)合機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，張力傳感器是里面可能會(huì)出故障部分，所以根據(jù)實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)了張力傳感器的共享機(jī)制，以及電機(jī)輸出通道的自由配置功能，如果張力傳感器Fi不能夠正常工作，也就是說(shuō)它所對(duì)應(yīng)輸出(Vout)，沒(méi)有輸出調(diào)節(jié)功能。這時(shí)單元控制器會(huì)把他相鄰的電機(jī)控制電壓(Vout)i-1輸出到(Vout)i。

3 系統(tǒng)主要部分的的軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)模塊：主機(jī)人機(jī)交換界面，系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控模塊，各單元控制器CAN總線通信模塊，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，單元控制器電機(jī)控制調(diào)節(jié)模塊，故障分析判斷處理模塊以及運(yùn)行數(shù)據(jù)保存模塊。其中CAN總線通信模塊，以及各模塊間的協(xié)調(diào)是難點(diǎn)。
3．1 CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)
    CAN總線通信模塊的主要作用是傳輸主控制器發(fā)出的控制命令，以及各單元控制器上傳各自的狀態(tài)數(shù)據(jù)。CAN節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到相應(yīng)的命令與數(shù)據(jù)。
    CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。初始化程序設(shè)計(jì)對(duì)于CAN總線節(jié)點(diǎn)的正常工作相當(dāng)重要。它主要包括工作方式、時(shí)鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時(shí)器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設(shè)置。
3．2 系統(tǒng)各軟件模塊間的工作協(xié)調(diào)
    (1)主控制器通過(guò)把控制命令發(fā)送到CAN總線上面，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收并提取相應(yīng)的命令，按照命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。
    (2)各單元控制器循環(huán)采集各張力傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)電機(jī)的工作狀態(tài)。
    (3)各單元控制器每隔一定時(shí)間把各自下屬的8個(gè)電機(jī)狀態(tài)通過(guò)CAN總線發(fā)送給主控制器，主控制器提取里面的狀態(tài)信息，記錄各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，并顯示在人機(jī)界面上面。
    (4)人們可以根據(jù)具體的情況設(shè)置各個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)
    從系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)可以看出，這種印染聯(lián)合機(jī)設(shè)計(jì)，采用主頻為72 MHz的處理器，可以把數(shù)據(jù)的處理在各單元控制器上面完成。采用由張力傳感器組成的最小反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的時(shí)時(shí)同步。改變了把狀態(tài)信息傳遞各總控制器后，由總控制器實(shí)施同步的大循環(huán)反饋方式。另外，這種設(shè)計(jì)采用了集成度比較高的MCU，有12位的A／D，D／A轉(zhuǎn)換通道，這樣系統(tǒng)就沒(méi)有外圍采樣電路，避免了工廠復(fù)雜環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響。
    總之，這種印染聯(lián)合機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有高性能處理器與先進(jìn)的CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，并且硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，軟件模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用小的反饋回路，一方面減少了總線上面的數(shù)據(jù)流量，另一方面避免了總線上面的傳輸延時(shí)，使得電機(jī)同步更加及時(shí)準(zhǔn)確。