基于CORTEX-M3和CAN的印染機同步控制系統(tǒng)

摘要：為了增加印染聯(lián)合機的性能，同時實現(xiàn)印染聯(lián)合機同步控制系統(tǒng)的簡單化，在此采用基于CORTEX-M3內核和CAN總線的印染聯(lián)合機同步控制系統(tǒng)。在設備選型上面放棄了以往PC機當作總控制器的設計，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內核的處理器。它具有高的處理速度，高精度的D／A、A／D轉換，以及CAN總線控制器。實驗表明這種印染聯(lián)合機的設計能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)同步控制，同時降低了成本，以及開發(fā)難度。
關鍵詞：CORTEX-M3；CAN總線；同步控制；嵌入式處理器

0 引言
    隨著社會生活的發(fā)展，人們對現(xiàn)在的印染品的要求也越來越高，特別是布匹與包裝外殼，那么對現(xiàn)代印染工藝的要求也越來越高。隨著工藝的增加，對印染設備是個不小的挑戰(zhàn)，這里面最主要的是大型印染聯(lián)合機中多電機的同步控制問題。
    在印染設備中，電機的同步控制主要有3方面決定：一是處理器對張力傳感器數(shù)據(jù)的處理速度，以及電機對張力傳感器的反應速度；二是不同的電機組之間機械性能的差異以及它們產生的實時同時控制問題；三是控制單元與各電機組之間的通信問題，包括速率，抗干擾等。傳統(tǒng)印染聯(lián)合機的做法是采用單片機加AD／DA芯片進行數(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加單片機的做法。隨著現(xiàn)在技術的發(fā)展，在研究了基于ARM的CORTEX-M3內核的處理器加CAN總線的分總系統(tǒng)設計方法。
    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芯片嘗試進行新的設計。這種設計在提高系統(tǒng)性能的基礎上降低了成本同時實現(xiàn)了與現(xiàn)有印染設備的對接問題。

1 系統(tǒng)設計
1．1 系統(tǒng)結構設計
    根據(jù)現(xiàn)有印染行業(yè)的印染聯(lián)合機的具體情況，主要針對其控制系統(tǒng)進行改進。
    在大型印染聯(lián)合機的設計中，主要考慮的是多電機的同步控制問題，需要保證布匹在傳送的過程中要平穩(wěn)，不能因為電機的不同步而造成張力過大從而使布匹過度拉伸，也不能因為張力的不足而造成布匹的褶皺。在大型印染聯(lián)合機中根據(jù)工藝的復雜與簡單，需要同步的電機從8個到40多個不等，采用CAN總線網(wǎng)絡保證了可以根據(jù)工藝的不同自主的擴展單元控制器的個數(shù)。系統(tǒng)設計框圖如圖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，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系統(tǒng)狀態(tài)的工作狀態(tài)，以及設置和調節(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)調各單元控制的工作狀態(tài)。
     單元控制器的功能主要是微調張力傳感器的靈敏度，實時監(jiān)測個張力傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)各張力傳感器的數(shù)據(jù)調節(jié)輸出電壓從而調節(jié)對應電機的工作狀態(tài)，同時還要應對突發(fā)狀況，例如張力傳感器失靈的處理，以及電機失速的處理。
1．3 單元控制器的具體設計
    在設計中我采用的是基于ARM的CORTEX-M3內核的芯片-STM32f103RCT6如圖2所示。它的特點有：STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv 7-M體系結構的32位標準RISC(精簡指令集)處理器，提供很高的代碼效率；工作頻率為72MHz，內置高達256KB的FLASH存儲器和48KB的SRAM。

    它內部集成了12位的A／D以及雙通道的12位的D／A，還有專門面向工業(yè)控制的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)，它提供兼容規(guī)范2．0A和2．0B(主動)，位速率高達1 Mb／s。它可以接收和發(fā)送11位標識符的標準幀，也可以接收和發(fā)送29位標識符的擴展幀。具有3個發(fā)送郵箱和2個接收FIFO，3級14個可調節(jié)的濾波器。[!--empirenews.page--]
1．4 CAN總線接口設計
    因為STM32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構成的隔離電路，這樣就可以很好地實現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點的電氣隔離。增加隔離電路雖然增加了節(jié)點的復雜性，但它卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。此外，為避免信號反射，導致通信的可靠性與抗干擾能力下降，甚至無法通信，因此，在CAN總線的兩端需要加有2個120Ω的總線阻抗匹配電阻。CAN接口設計如圖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)的工作前的調節(jié)，系統(tǒng)的啟動，工作中的時時同步調節(jié)以及對故障的處理。
    (1)在系統(tǒng)工作前，因為印染設備的各電機單元機械部分屬性不可能都相同，所以要在傳送布匹前調節(jié)各個部分的運轉同步系數(shù)Li使其沒有負載時線速度一樣。在這里一般設置第1個單元控制器的第1個電機單元為主令單元，其他的為從動單元。需要調節(jié)個從動電機單元的運轉速度與主動單元的線速度一致。這個系數(shù)Li設置后就在以后的運行中固定下來。
    (2)系統(tǒng)的啟動是由主控制器先向各單元控制器發(fā)出控制命令，包括設置布速V，以及達到布速v的上升時間間隔，然后主控制器給出總的啟動命令，單元控制器根據(jù)主控制器的命令設置對應的8路信號輸出，從而控制各電機單元按照預先的設置的上升時間間隔運轉至設定的轉速。
    (3)系統(tǒng)工作中的調節(jié)，根據(jù)印染聯(lián)合機的實際工作中，當當電機轉速增加時，會改變張力傳感器的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)公式：
    Vout=V0Li+KiFi       (1)
    式中：Vout為D／A轉化的輸出電壓；Li為系統(tǒng)啟動前設置的運轉同步系數(shù)；V0為主動電機單元的D／A輸出電壓；Fi為張力傳感器的輸出；Ki為VOUT輸出對張力傳感器輸出反饋Fi的靈敏性。通過輸出反饋Fi，在電機的控制端組成了一個小的閉環(huán)系統(tǒng)。張力傳感器示意圖如圖4所示。

    張力傳感器反饋調節(jié)同步的基本原理：在正常狀態(tài)，傳感器的觸點停在中間狀態(tài)，這是傳感器的輸出電壓為零，當電機轉速加快，造成布匹的張力變大時，會造成張力傳感器的觸點向下移動，這是傳感器的輸出會變?yōu)樨撝?，這是根據(jù)式(1)，Vout的值會減小，也就減慢了相應電機的轉速。這樣就可以達到同步的目的。
    (4)對故障的處理：在實際的工業(yè)生產過程中，不能絕對保證系統(tǒng)會毫無故障的運行，根據(jù)以往的印染聯(lián)合機的生產經(jīng)驗，張力傳感器是里面可能會出故障部分，所以根據(jù)實際情況，在設計了張力傳感器的共享機制，以及電機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，也就是說它所對應輸出(Vout)，沒有輸出調節(jié)功能。這時單元控制器會把他相鄰的電機控制電壓(Vout)i-1輸出到(Vout)i。

3 系統(tǒng)主要部分的的軟件設計
    軟件設計采用模塊化的軟件設計思想，主要實現(xiàn)以下幾個模塊：主機人機交換界面，系統(tǒng)運行監(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，單元控制器電機控制調節(jié)模塊，故障分析判斷處理模塊以及運行數(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)調是難點。
3．1 CAN總線通信模塊設計
    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)點收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解析，得到相應的命令與數(shù)據(jù)。
    CAN總線節(jié)點的軟件設計主要包括3部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設計對于CAN總線節(jié)點的正常工作相當重要。它主要包括工作方式、時鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設置。
3．2 系統(tǒng)各軟件模塊間的工作協(xié)調
    (1)主控制器通過把控制命令發(fā)送到CAN總線上面，相應節(jié)點接收并提取相應的命令，按照命令進行相應的操作。
    (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)時時調整相應電機的工作狀態(tài)。
    (3)各單元控制器每隔一定時間把各自下屬的8個電機狀態(tài)通過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)點的狀態(tài)信息，并顯示在人機界面上面。
    (4)人們可以根據(jù)具體的情況設置各個電機的工作狀態(tài)。

4 結語
    從系統(tǒng)的原理設計可以看出，這種印染聯(lián)合機設計，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節(jié)系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的時時同步。改變了把狀態(tài)信息傳遞各總控制器后，由總控制器實施同步的大循環(huán)反饋方式。另外，這種設計采用了集成度比較高的MCU，有12位的A／D，D／A轉換通道，這樣系統(tǒng)就沒有外圍采樣電路，避免了工廠復雜環(huán)境對系統(tǒng)的影響。
    總之，這種印染聯(lián)合機的設計實現(xiàn)了現(xiàn)有高性能處理器與先進的CAN總線控制網(wǎng)絡的結合，并且硬件設計簡單，抗干擾能力強，軟件模塊化設計。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，使得電機同步更加及時準確。