時間：2022-06-16 12:40:45
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本文設計的基于以太網的超聲檢測多軸運動控制系統是在復雜的多軸運動控制技術之上結合了遠程通信技術，以此來實現超聲檢測的遠程自動控制。此系統主要由上位機、多軸運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、機械執行裝置、限位開關和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。由上位機LabVIEW控制系統為多軸運動控制器發送運動指令，并由多軸運動控制器將運動信號拆分為步進信號和方向信號，再將這兩種電機控制信號發送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將其轉化為角位移發送給步進電機，使步進電機轉動相應個步距角，以達到使步進電機按指令運動的目的。步進電機上安裝有機械執行裝置，用以固定超聲探頭，機械執行裝置上安有限位開關，以此控制電機的運動范圍，當電機運動到限位開關的位置時，限位開關發出限位信號到多軸運動控制器，運動控制器便停止發出使電機運動的脈沖信號。在進行自動超聲檢測時，Z軸方向機械執行機構上固定的超聲檢測探頭能夠在被檢測物體的表面按照上位機運動控制算法設計的運動軌跡進行連續檢測，并實時向PC機返回探頭的位置信息，并將數據采集卡采集的超聲信號與探頭返回的位置信息建立起對應關系，最終通過上位機的圖像處理系統形成超聲檢測圖像，以此來實現物體的超聲檢測。
2多軸運動控制器的方案設計
多軸運動控制器可以通過遠程以太網通信的方式接收上位機的控制信號，向步進電機驅動器發送脈沖信號和方向信號以完成對電機的運動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，配有DM9000A以太網通信芯片使硬件平臺具備遠程通信的功能。在Linux操作平臺上進行控制系統軟件功能設計，并采用UDP通信協議實現上位機與運動控制器之間的遠程通信［3］。
2．1多軸運動控制器硬件電路設計
本文采用ARM9處理器S3C2440設計了系統中運動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網絡接口控制器設計了運動控制器的以太網接口。運動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運動控制器選用ARM9處理器作為運動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統，在操作系統之上實現運動控制器的插補等多軸運動控制算法。選用DM9000A以太網控制芯片實現上位機LabVIEW與運動控制器之間的遠程通信，進而實現超聲檢測的遠程自動控制。為了解決步進電機驅動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設計了電壓轉換模塊，負責把主控芯片輸出的3．3V電壓信號轉換至5V電壓信號后輸入到步進電機驅動器中，同時負責把限位開關發出的24V限位信號轉換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲數據的擴展存儲器、以及用于調試的JTAG接口電路和RS232串口電路。
2．2多軸運動控制器軟件設計
本課題所用的限位開關為位置可調的限位開關，每個軸有2個限位開關，在每次超聲檢測前，把每個限位開關調節到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設計運動控制器的軟件時便可將限位開關做為邊界條件，以此來設計探頭的運動范圍。其運動控制流程:首先系統初始化，通過上微機控制界面人工控制探頭到被測工件的起點，然后X軸正向運動到X軸限位開關處，Y軸正向運動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運動到X軸另一側的限位開關處，之后Y軸繼續正向運動一個探頭直徑的長度，如此往復運動直至探頭到達Y軸的限位開關處，檢測結束，探頭復位。運動控制軟件流程圖如圖3所示。
3多軸運動控制系統上位機軟件設計
基于以太網的自動超聲檢測多軸運動控制系統的上位機軟件是以LabVIEW開發平臺為基礎，使用圖形G語言進行編寫的，主要包括多軸運動控制軟件和以太網通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機軟件，其主要應用于儀器控制、數據采集和數據分析等領域，具有良好的人機交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網絡的底層實現，就可以直接調用UDP模塊中已經的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細節，而采用較少的代碼就可以完成通信任務，以便快速的編寫出具有遠程通信功能的上位機控制軟件［5］。上位機LabVIEW軟件的遠程通信模塊、運動控制模塊以及數據處理模塊相互協調配合，共同構成了超聲檢測多軸運動控制系統的上位機軟件。
3．1運動控制軟件設計
運動控制系統軟件部分主要由運動方式選擇、探頭位置坐標、運動控制等模塊組成，可完成對系統運動方式的選擇，運動參數、控制指令的設定以及探頭位置信息讀取等工作。運動方式選擇模塊可根據實際需要完成相對運動或是絕對運動兩種運動方式的選擇，并會依照選擇的既定運動模式將X、Y、Z三軸的相應運動位置坐標輸出在相應顯示欄中，以便進行進一步的參數核對以及設定;運動控制模塊可依照檢測規則實現對整個系統運動過程的控制，包括:設定相對原點、運行、復位、以及退出等相關操作。相對原點設定可以將探頭任意當前位置設為新的原點，并以原點作為下一個運動的起始點，即為探頭位置坐標的相對零點，并將此刻相對原點的絕對位置坐標值在文本框中顯示出來。運動控制系統軟件流程圖如圖4所示。
3．2以太網通信軟件設計
以太網通信模塊采用無連接的UDP通信協議，通過定義多軸運動控制器與上位機LabVIEW的以太網通信協議，實現下位機與上位機之間的遠程通信。具體設計如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節點向服務器端相應的端口發送命令信息，然后使用“UDPRead”節點讀取服務器端發送來的有效回波數據，用于后期處理，最后應用“UDPCloseConnection”節點關閉連接［6］。以太網通信模塊的程序框圖如圖5所示。
4實驗及結果
實驗平臺由步進電機及其驅動器、上位機控制軟件和自主研發的多軸運動控制器構成。在上位機的用戶控制界面中，首先輸入以太網的IP地址并選擇運動方式，然后根據用戶的檢測需求設定運動速度和運動距離，點擊運行后探頭即按所設定運行。探頭運動過程中還可以選擇設定當前位置為原點，探頭即按照新的原點重新開始運動。同時，在探頭運動時會實時顯示探頭當前所在位置坐標。模擬開關發送選通超聲探頭信號并發送脈沖信號激勵超聲探頭發射超聲波，FPGA控制A/D轉換電路對超聲回波信號進行轉換，并將數據存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發送信號，ARM接收到采集完成信號將數據通過以太網向上位機發送。上位機的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。
5結束語
關鍵詞：以太網；燃機模塊；電子控制系統；軟件設計
引言
隨著燃氣輪機在工業現場的廣泛使用，對控制性能的要求越來越高，其控制系統也迅速從液壓機械式控制器發展為模擬式電子控制系統,進而發展成數字電子控制系統。到20世紀90年代,燃氣輪機開始全面配置數字電子控制系統。近年來，國外燃氣輪機的數字電子控制系統已經實現了標準化、系列化，實現了模塊化,并配置了菜單式的開發軟件。模塊化控制系統中通信總線是系統內部數據交換的橋梁，總線的可靠性是系統可靠性的保障，總線速度也直接影響到整個控制器的性能，因此必須選擇實時、可靠的通信總線。MIL-STD-1553B、ARINC-429等傳統的現場總線可靠性高、使用靈活，工程上已經得到了廣泛應用，但卻遭受速度瓶頸。工業實時以太網技術具有速度快、實時性好、可靠性高等特點，它的發展使工業控制在通用化、模塊化、數據交換等方面都面臨新的技術革命，特別適用于分布式控制系統設計。EtherCAT是由德國Beckhoff公司開發。采用以太網幀，以特定環狀拓撲發送數據的技術，擁有杰出的通訊性能，接線簡單，并對其它協議開放。
1.總體方案
1.1燃機模塊式電子控制系統方案
系統的控制對象是某型艦用中檔功率系列燃氣輪機，控制系統采用開放性的模塊結構。電子控制器采用標準化、系列化的模塊設計，各模塊間采用最新的工業實時以太網Ethercat連接，控制軟件設計成可選擇、可配置的標準模塊和接口，液壓執行機構設計成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個控制系統的設計變為功能模塊的選擇、匹配和調整——根據燃機控制系統的信號數量和接口類型選擇合適的硬件模塊，根據特定控制規律和控制系統要求選擇、配置相應的軟件模塊，根據燃油和導葉的控制要求選擇合適液壓執行機構。采用的是成熟的模塊使各模塊功能、性能都有了保證，各部件僅需要進行部分調整就能滿足要求，既縮短研發周期，又提高系統的可靠性，同時也便于今后實現性能改進和功能擴展。
1.2燃機控制系統組成
燃機控制系統包括綜合電子控制柜、系統軟件、液壓執行機構、電氣系統等。液壓機械裝置采用模塊化設計方法，包括高壓燃油泵、燃油計量裝置、導葉調節裝置等。各模塊可根據具體燃機要求配合使用。電子硬件通用模塊包括：電子控制器模塊、獨立保護模塊。系統軟件包含控制軟件和應用軟件。控制系統接收來自控制室或監控臺的控制信號，對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩態工況運行以及停車和重要參數限制實施全面的自動控制和安全保護，能實現對燃機輔助系統的監測和控制，能實現對燃機的故障診斷和重要參數的記錄、存貯和通訊。
2.控制軟件設計
2.1電子控制器方案介紹
電子控制器由主CPU模塊與AD模塊、DA模塊、FI模塊、IO模塊等低級模塊組成，各模塊自帶CPU處理器，模塊之間通過工業以太網連接，控制系統采用基于網絡通訊技術模塊化設計，控制器的各種功能模塊之間用實時以太網進行連接，完成數據交互。各模塊可以集中在一起也可以分散到燃機的各部分，通過工業總線實現實時信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設計
控制軟件包含CPU模塊的控制應用軟件、其它通用模塊底層軟件組成。底層軟件與模塊一一對應。模塊的底層軟件主要是實現通用模塊采集、輸出或信息交互功能，并與其它模塊通訊，傳遞和接受信息，實現控制系統功能。CPU模塊的控制應用軟件通過與底層軟件，根據模塊的特點進行功能的初始選擇和配置。初步設計的控制軟件層次結構如圖1所示，該層次結構適用于主CPU模塊與所有低級功能模塊。由于低級功能模塊的任務都比較簡單，所以并無必要采用實時內核，主CPU模塊也需根據實際情況決定采用傳統的順序結構還是基于實時內核的并行結構。同一功能的器件在驅動程序層向頂層提供一致的接口，在這一層次中需要制定對器件讀、寫、模式設置、中斷、輪詢等操作的驅動程序函數模版。整理電子控制器硬件設計中常用的接口器件資料，針對這些器件編寫驅動程序并用數據庫進行驅動程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設計
控制軟件采用模塊設計，將燃機的主要控制過程、各種控制規律形成標準程序模塊。模塊劃分可層層分解，步步細化，當針對具體燃機時只要選用合適的模塊進行組合，并進行對參數設置連接就可形成控制程序。程序的框架設計要保證其可擴展性，根據燃機控制要求的變化，不斷的增加先進控制規律、控制算法模塊提高整個系統的性能。在對燃機控制系統的特點進行充分分析的基礎后，建立對燃機控制軟件的通用框架結構、模塊劃分準則與模塊配置策略，通過更改模塊配置信息、模塊整體更換等方式靈活構建可靠的燃機控制軟件。軟件模塊化按照由粗到細、由繁到簡的指導方針，按步驟逐級細化，最終生成最基本的模塊單元。根據燃機控制系統的功能，將控制軟件劃分為基本數值計算模塊庫、信號處理模塊庫、故障處理模塊庫、起動控制模塊庫、燃機運行控制模塊庫、停車控制模塊庫、輔助系統控制模塊庫、底層軟件模塊庫、通訊協議模塊庫。模塊一般采用標準C語言編寫，與CPU相關的代碼采用匯編語言編寫，考慮到不同CPU的字長、對齊方式等特性，模塊內部均采用自定數據類型，且可通過外部進行設置。
3.通訊軟件設計
EtherCAT通訊程序包括網絡收發模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設備模塊、主站模塊和從站模塊。網絡收發模塊完成底層網絡數據包的發送和接收功能。EtherCAT接口模塊實現EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設備模塊實現EtherCAT設備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實現主站初始化命令和循環命令的發送處理，實現和維護主站的狀態機。從站模塊實現從站設備的配置，同時維護從站設備的狀態機。
3.1Ethercat協議
EtherCAT是用于過程數據的優化協議，憑借特殊的以太網類型，它可以在以太網幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現。當需要實現最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網操作時，則直接以太網幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網的應用。EtherCATUDP將EtherCAT協議封裝為UDP/IP數據報文，這就意味著，任何以太網協議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網中。顯然，在這種變體結構中，系統性能取決于控制的實時特性和以太網協議的實現方式。因為UDP數據報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網絡自身的響應時間基本不受影響。另外，根據主/從數據交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網絡變量可用于過程數據以及參數、診斷、編程和各種遠程控制服務，滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數據通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設備和下游設備可以在同一周期內實現通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結構相關，因此適用于由設備架構設計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機制—數據通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費的時間。EtherCAT僅使用標準的以太網幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT以太網幀可以通過任何以太網MAC發送，并可以使用標準工具。
3.2主站軟件設計
EtherCAT可以在單個以太網幀中最多實現1486字節的分布式過程數據通訊。其它解決方案一般是，主站設備需要在每個網絡周期中為各個節點處理、發送和接收幀。而EtherCAT系統與此不同之處在于，每周期僅需要一個或兩個幀即可完成所有節點全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會給主機CPU帶來任何負擔，處理任務的同時，還可處理應用程序，因此EtherCAT無需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網MAC設備即可。EtherCAT主站容易實現，尤其適用于中小規模的控制系統和有明確規定的應用場合。EtherCAT映射不是在主站產生，而是在從站產生，此時過程映像已經完成排序。該特性進一步減輕了主機CPU的負擔。可以看到，EtherCAT主站完全在主機CPU中采用軟件方式實現，相比之下，傳統的慢速現場總線系統通過有源插接卡方可實現主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務于DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機資源。
3.3從站軟件設計
子站模塊劃分為A/D采樣模塊、頻率量模塊、LVDT及振動信號處理模塊、熱電阻信號處理模塊、熱電偶信號處理模塊、壓力信號處理模塊、電流電壓信號處理模塊、開關量輸入模塊、開關量輸入1模塊、開關量輸入2模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸出模塊1、模擬量輸出模塊2，備份槽。主程序通過不同的功能要求調用軟件塊。軟件模塊設計的基本原則是數據隱藏，即各模塊內部數據私有，并提供外部接口訪問這些私有數據，各模塊之間相互獨立，從而降低各模塊之間的耦合程度。整個框架提供諸多配置接口，具有一定的通用性。子站模塊實現的功能為DSP外設初始化；獲取通道信息；獲取開關量輸入、擬量輸入、頻率量輸入信號；輸出開關量、PWM信號；FLASH存儲器操作；定時器的啟停、看門作等。
4.結束語
在國內航空發動機電子控制系統研制的技術積累基礎上，開展基于網絡通訊技術的燃機模塊式電子器研究工作，研制具有自主知識產權的、具有國際先進水平的燃機模塊式電子控制系統，不僅可以創造經濟效益，而且能夠打破燃機電子控制系統被國外公司壟斷的局面，極大提高燃機市場的核心競爭力。
參考文獻
[1]周向陽.模塊式燃機電子控制系統軟件設計技術研究.南京航空航天大學碩士論文.2010-03-01
[2]EtherCAT——技術介紹及發展概貌.國內外機電一體化技術.2006-11-30
[3]周千翔.基于實時以太網的分布式電子控制器設計.南京航空航天大學碩士論文.2008-12-01
關鍵詞：DSP，DDS，無線電引信，干擾波形
1 引言
隨著引信技術的發展，引信體制也在不斷豐富，引信信號的波形也從最簡單的單頻連續波，到調頻信號和脈沖信號，再到偽隨機碼調制信號經歷了重大變化。無線電引信干擾波形發生器的功能就是模擬各種引信信號的波形。論文參考網。本文的設計就是在這個研究背景下提出的。以DSP芯片和DDS芯片為核心所設計的干擾波形發生器，具有實時性好、波形豐富、易于控制等特點。
2 DSP、DDS芯片簡介
2.1 AD9854芯片
AD9854是AD公司推出的一種專用直接數字合成（DDS）電路，它自帶單頻、CHIRP、FSK、BPSK等五種工作模式，在此基礎上借助片上高速比較電路和高速數控電路，可以產生目前引信使用大多數引信信號波形。AD9854的內部功能方框圖如圖1所示，它的主要特點如下：
l內部集成兩個高性能12位D/A變換器、兩個48位頻率寄存器、兩個14位相位寄存器、12位幅度調制數字乘法器、超高速比較器和4到20倍參考時鐘乘法器；
l3.3V單電源供電、多重低功耗處理、最高300MHz系統時鐘頻率、窄帶雜散83dB、寬帶雜散56dB（寬帶雜散隨著頻率增高而降低）；
l內置單頻、FSK、RAMPED FSK、CHIRP、BPSK五種工作方式，支持幅度調制和成形開關鍵控功能。
圖1 AD9854內部功能方框圖
2.2TMS320F2812芯片
TMS320F2812是工業界首批32位的控制專用、內含閃存以及高達150MIPS的數字信號處理器，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法。TMS320F2812片上整合了Flash存儲器、快速的A/D轉換器、增強的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設，使用戶可以以最便宜的價格開發高性能數字控制系統。TMS320F2812功能和資源相當豐富，其特點可以歸納如下：
l采用高性能的靜態CMOS技術；
l先進的仿真調試功能；
l豐富的片上存儲器資源；
l靈活的時鐘和系統控制；
l功能強大的片上外設；
l12位數模轉換模塊（D/A）；
l高達56個可配置通用目的I/O引腳，保留通用外部標志XF；
l三個外部中斷，外設中斷擴展模塊（PIE）支持45個外設中斷。
3 干擾波形發生器的硬件設計
采用TMS320F2812芯片作為本系統的主控制器，用該芯片實現對AD9854的控制，產生所需信號波形。以TMS320F2812和AD9854為核心，構建的系統功能結構框圖如圖2所示。論文參考網。信號的參數由PC機設置，通過串口發送到TMS320F2812中，TMS320F2812收到參數后控制AD9854輸出干擾波形，經過濾波器后輸出。
圖2 系統硬件結構圖
本設計中AD9854采用并口形式訪問。TMS320F2812與AD9854的接口示意圖如圖3所示。
圖3 TMS320F2812與AD9854的接口
4 干擾波形發生器的軟件設計
4.1系統軟件設計
本系統軟件程序的設計采用目前國際上流行的、通用高級程序設計語言—C語言；系統軟件的開工具主要采用CCS 2000。本系統的軟件的構成如圖4所示。主要由系統軟件、PC機控制軟件和波形產生軟件三部分組成。系統軟件包括系統的初始化程序及所有硬件設備的驅動程序兩部分；PC機控制軟件的任務是接收用戶輸入的波形參數，轉換成AD9854的控制字形式，然后傳送給DSP；波形產生軟件包括DSP控制相關硬件產生所需波形的程序和DSP產生波形數據并控制DA產生波形的軟件兩部分。
圖4 無線電引信干擾波形生成系統軟件系統構成
軟件系統的工作流程如圖5所示，具體工作過程是：上電后首先完成DSP的復位，DSP發出控制信號初始化DDS芯片，同時對LCD進行初始化。論文參考網。然后查詢主控PC機是否發出有參數設置信息的指令信號，如果沒有則繼續查詢；如果有則接收指令信號，并判斷需要產生信號的類型，DSP據此將主控PC設置的參數信息發送到DDS芯片中或調用DSP程序，同時DSP運行數據信息在液晶顯示器上顯示出來。最后，DSP的計算數據經DDS的可控DAC后的輸出或DDS的輸出，經過濾波器后產生需要的引信干擾波形。
圖5系統軟件工作流程
4.2 三角波調頻信號波形的產生程序設計及調試結果
在產生三角波調頻信號的過程中，AD9854選擇控制RAMPED FSK工作模式,DSP對AD9854的控制流程如圖6所示。
對DSP控制AD9854產生三角波調頻波形軟件進行調試，產生的波形比較理想。圖7是三角波調頻信號在10MHz-30MHz的頻譜，圖中顯示的頻譜穩定，說明所設計的系統能很好的實現三角波調頻。
圖7 三角波調頻信號頻譜
5 結束語
本文所設計的無線電引信干擾波形發生器，在通用的硬件平臺中，應用不同軟件模塊，能產生形式多樣、波形復雜的干擾波形，所設計的無線電引信干擾波形發生器不僅能干擾多種體制的無線電引信，而且在引信研制生產的過程中，可以利用該系統作為試驗設備，來檢驗引信的性能指標是否滿足要求。因此，該設備具有較大的生產應用價值。
參考文獻
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[5] 汪安民,程昱.DSP應用開發子程序[M]．人民郵電出版社，2005
關鍵詞：毛巾劍桿織機；Cortex-M3；嵌入式實時操作系統
引言
劍桿毛巾織機以其靈活多變、適應性廣、技術發展成熟而深受毛巾生產企業的青睞。當前劍桿毛巾織機逐步替代了老舊的有梭織機，成為了毛巾織造行業的主流設備。近年來，國產劍桿毛巾織機在市場需求的推動下得到了巨大的發展，但是遍布江浙地區的中小型劍桿毛巾織機生產企業的自主研發能力普遍還很弱，現有的劍桿毛巾織機產品大多數是在測繪國外中低檔產品的基礎上進行改進，高性能與新機型的研發能力以及自動控制系統的研發能力普遍不足，而市場競爭越來越激烈，需要不斷更新和開發產品。因此，在完成機械部件設計的基礎上，開發具有自主知識產權的高性能控制系統，逐漸成為國內中小型劍桿毛巾織機生產廠家關注的重點。
文章以劍桿毛巾織機樣機（如圖1所示）為控制對象，在分析毛巾織造工藝的基礎上，提出了一套以ARM技術為核心的新型毛巾劍桿織機控制系統設計方案，并制作樣機。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進行產業化推廣，有利于推動紹興以及浙江地區中小型劍桿毛巾織機生產企業產品的升級換代，提高其市場競爭力。
圖1 劍桿毛巾織機樣機
1 硬件設計方案
設計的毛巾劍桿織機控制系統以ARM技術為核心，采用的主控芯片為LPC1766。硬件電路設計過程為：首先，根據控制系統的詳細設計方案，完成電路原理圖設計，并計算相關電路參數，采購電路元器件。其次，對關鍵電路模塊進行功能仿真或制作實物電路論證電路設計的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統電路板。其核心電路如下所述：
1.1 主控制板硬件電路設計
主控制板硬件電路設計包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數據存儲模塊、時鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復位保護電路、劍桿毛巾織機運行狀態信號量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設計、驗證與制作調試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。
1.2 卷取伺服電機連接控制板設計
卷取伺服電機連接控制板主要解決主控制板與卷取系統的伺服電機控制器之間的通信問題，具有獨立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實現。卷取伺服電機連接控制板與伺服控制器之間需要實現伺服使能信號、伺服硬件異常報警信號、伺服系統定位完成、伺服電機旋轉方向與脈沖數等信息的讀取與設置。
2 控制系統軟件設計
劍桿毛巾織機控制系統的軟件將以實時嵌入式系統μC/OS-II與FAT32文件管理系統為平臺進行開發。其設計流程如下：
（1）在控制系統方案設計：首先，進性詳細的市場調研，分析市場上主流的劍桿織機控制系統（包括平布與毛巾織機）的功能特點，借鑒其好的設計思想，使其為我所用，并設法改進其不足之處，確保設計的劍桿毛巾織機控制系統符合當前的技術潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機械部件設計人員進行充分的交流，在深刻領會其整機設計思想、織機控制要求與控制系統制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機控制系統用戶需求分析報告與總體方案設計報告，并提交合作單位審核通過。確保項目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場接受。
（2）控制系統詳細設計：首先，詳細分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機控制信息點、研究織機動作時序，確立控制時間節點與控制信息間的邏輯關系。其次，根據用戶需求分析報告，對總體方案進行細化，提出各個控制模塊與相關控制算法的具體實現方案，并完成關鍵芯片與外購部件的選型工作。
（3）控制系統軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開發工具，建立嵌入式系統開發環境，并完成嵌入式實時操作系統μC/OS-II與FAT32文件系統在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統所有控制信息之間的邏輯關系，編寫控制系統軟件流程圖與狀態向量圖。再次，對控制系統軟件進行模塊劃分，編寫各個子函數的輸入輸出接口，并設計控制信息數據結構模型與控制算法。最后，項目組軟件編寫人員通過分工合作完成軟件代碼編寫與調試。
（4）劍桿毛巾織機控制系統調試：在完成控制系統硬件電路制作與控制軟件設計后進行系統軟硬件聯合調試，驗證各項控制功能是否完備、織機動作流程控制是否合理、各個控制模塊工作是否穩定。通過軟硬件聯合調試，發現并修正控制方案、硬件電路、控制系統參數、軟件設計中的缺陷與錯誤。
（5）劍桿毛巾織機整機調試：在完成控制系統軟硬件調試后，將劍桿毛巾織機控制系統安裝到合作單位提供的樣機上進行整機調試，驗證劍桿毛巾織機的整機功能是否達到設計標準、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過整機調試，發現并修正控制方案、硬件電路、控制系統參數、軟件設計中的缺陷與錯誤，使得設計開發的控制系統達到設計要求。
控制系統軟件具體的開發流程如圖3所示。
圖3 控制系統軟件設計開發流程圖
3 結束語
設計完成的毛巾劍桿織機控制系統具有以下特點：（1）設計了電子送經、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機與接近式張力傳感器組成的電子送經機構實現了毛巾織造過程中相對穩定的經紗張力控制，簡化了機械結構，又具有成本優勢。伺服卷取機構實現了變緯密織造、毛巾須長停車自走、定位停車后自動補償消除停車擋等功能，并簡化了機械零部件設計，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設備情況下，設計了軟件自動尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動強度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機控制起毛凸輪的轉動角度，實現了毛巾織物起毛高度在設計范圍內任意變化，能夠實現波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機控制系統軟件基于嵌入式實時操作系統μC/OS-II構建，改變了傳統織機控制系統軟件普遍采用的前后臺模式，提高了控制系統的實時性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。
參考文獻
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【關鍵詞】 項目管理 軟件開發 研究
軟件開發過程是一個復雜過程，也是一個項目的綜合過程。軟件配置在軟件開發過程應用，提高了軟件的生命周期，在開發過程中，就能對軟件進行測試，對軟件的數據進行科學的分析，發現存在問題及時解決措施，對提高軟件開發質量有了進一步技術保障，為項目的正確實施有了明確保障。
一、項目管理的概述
軟件從調研、分析、設計、實施、測試、維護與管理及死亡的一個生命周期，實際就是一個項目的整個流程。項目管理就在一定環境下，根據企業的實際需要，進行科學的分析、科學的設計、科學的進行管理、以提高企業的利潤為目標進行整個管理過程。現在項目管理在各個領域應用比較廣，其有一定管理目標，科學的進行分析與管理，為實現特定的管理目標努力。項目管理是一項綜合過程，涉及組織，質量、費用、時間等一系列問題，從發起過程，設計過程到實施過程都需要企業搭建良好的平臺進行構建，以實現企業項目管理目標努力。
二、在軟件開發中實施項目管理的重要性
項目管理在軟件開發過程中起到重要作用，項目管理可以提高軟件開發質量。有時即使不開展項目管理工作，軟件開發項目也能取得成功。但是如果缺乏項目管理，則難以將成本控制在一定范圍內，容易導致軟件企業面臨著虧損的風險。在開展項目管理工作的過程中，需要借助技術、方法等，管理軟件開發活動，如此既有助于實現軟件開發目標，又能夠控制軟件開發的進度以及開發成本。當前，雖然有部分軟件企業依據軟件工程理論，制定了管理軟件開發的制度，但是卻沒有嚴格控制軟件開發的進度以及成本。這種做法不僅會延長軟件開發的時間，還會增加軟件公司的經營風險，最終損害到相關用戶的利益。而在軟件開發過程中，開展項目管理工作，就有助于保證軟件開發工作的順利完成，同時提高軟件企業的經營管理效率。綜上所述，項目管理在軟件開發過程中起到重要作用，在軟件管理中能開學的，有目標的進行軟件管理，在軟件設計過程中，能合理的安排軟件開發設計時間，保證軟件時間正確完成，對提高軟件質量，降低用戶風險等方面都做的非常好，在軟件開發過程中，合理的利用項目管理軟件，對提高軟件的應用有一定的現實意義。
三、項目管理在軟件開發中的應用現狀
項目管理應用在軟件開發過程中時間不是很長，但最近幾年，項目管理應用到軟件開發過程中，取得一定成績。60年代中期，軟件行業沒有一定標準，人們發現軟件開發過程中存在一定問題，軟件工作者一直想解決措施。80年代，學者嘗試在軟件開發過程中引進項目管理，這時候沒有軟件標準，但也取得不錯效果。在項目開發過程中，項目組有多個成員組成，每個成員在項目開發過程中扮演一定角色，每個角色有一定的工作任務，要認真分析任務中具有一定的關聯性，合理的利用項目管理，解決任務的開發時間及先后順序，都是為了整個項目能正確，準時的完成而努力奮斗，同時也對員工提高工作效率有一定的益處，對提高學者的能力有一定的幫助，在未來的發展過程中，軟件開發引進項目管理是時展需要，也是社會發展需要。
四、項目管理在軟件開發中的應用
1、可行性研究。軟件在開發實施前，都要對項目進行一定可行性研究，主要從管理、技術、經濟三方面進行可行性研究。現有的管理水平是否能進行軟件設計開發，是否符合現代化企業的項目化管理的需要。現有的技術水平是否能進行軟件開發，是否能完成企業提出相應功能的實現。現有的經濟能力，是否能承擔軟件開發的費用以及后期的管理與維護費用，有必要的可能軟件升級費用等。
2、軟件項目估算。在軟件開發過程中，首先要規劃軟件開發項目，如此便于項目管理人員制定切合實際的估算方案。規劃軟件開發項目的內容主要包括：明確軟件開發的目標、明確軟件開發過程中需要用到的各種資源、明確軟件開發的進度等。在軟件開發過程中，估算起著非常重要的作用。通過估算可以保證軟件項目在規定的時間內完成，也可以確保軟件項目的成本未超出預算。
3、軟件項目開發人員的管理。軟件開發項目開發核心要素是人，包括管理人員及技術人員。人員的科學管理是軟件項目開發質量的保障，科學的人員管理，可以提高工作效率，提高軟件開發質量，節約開發成本，因此軟件開發公司現在都很重視項目團隊的建設。
總之，項目管理在軟件開發過程中應用，提高了軟件開發質量，并且取得一定成績，解決了軟件開發過程中出現的問題，為軟件開發作出很大貢獻。
參 考 文 獻
[1] 何曉東. 統一軟件開發過程的探討[J]. 安徽科技. 2013（05）
本文基于OPC技術，通過VB 結合sql server等相關軟件完成了一套工業現場異構系統集成軟件的開發。通過本軟件可以有效的將工業現場中不同的OPC server設備間的數據轉存到數據庫中，從而實現了工業現場之間異構系統的集成。利用本軟件可以有效的降低企業異構系統集成的成本，提高了企業的工作效率，同時為將來工業現場遠程監控提供了一個很好的平臺。
【關鍵詞】異構系統 集成 OPC VB SQL Server
1 引言
隨著計算機技術的高速發展，在工業現場領域，一套工業控制系統可能會選用很多不同公司的控制設備來集成一個系統，但由于標準不同，開發者必須對系統的所有設備都編寫對應的驅動，這無疑加大了開發的難度，同時由于驅動程序不同，使得不同設備之間通訊的時候容易造成數據擁堵，降低了系統的穩定性。
而OPC技術的出現可以有效的解決存在這些問題。OPC技術為各種軟硬件廠商之間提供了明確的分工，軟件廠商只需針對相應的接口進行編程，就可連接不同的設備。同時硬件設備廠商只需在設備中提供符合OPC規范的接口即可。這樣極大提高了設備之間的互操作性。有效的解決了工業現場異構系統的集成問題。
2 系統整體結構
為了解決工業現場異構系統的集成，本文利用VB 6.0 開發了一套基于OPC技術的工業現場異構系統集成軟件，該系統整體結構如圖1所示，通過VB編寫的客戶端軟件，可以將符合OPC規范的不同設備之間的數據都存儲到數據庫中，從而有效的完成了工業現場異構系統之間的數據的集成。
3 軟件的設計及實現
3.1 軟件的設計
本軟件設計的重點是如何利用VB來實現讀取OPC server中的數據，并將讀取到的數據轉存到數據庫中。
3.2 軟件的實現
3.2.1 OPC 技術原理
本軟件設計主要是開發OPC 客戶端軟件，而OPC 服務器端一般通過相應的組態軟件來實現。對于OPC服務器通常有兩種訪問接口，一種是OPC自定義接口，一種是OPC自動化接口。OPC自定義接口一般用c或者c++等程序來編寫。而OPC自動化接口主要采用VB或dephi等軟件來編寫。實際應用中，并不是所有的OPC服務器都提供自動化接口，如果要采用自動化接口，需要對自定義接口進行進一步的封裝，使其成為自動化接口，本次軟件設計中，采用的是OPC自動化接口完成對OPC Server的訪問。
3.2.2 利用VB 編寫OPC 客戶端的原理和代碼
使用VB編寫OPC客戶端的原理主要是通過創建OPC服務器對象，然后進行連接。進而創建OPC的組對象，在組對象中添加OPC數據項標簽，在OPC數據項標簽中進行數據的讀寫。
其中對數據項標簽的讀寫又分為異步和同步兩種方式。在本次軟件設計中，由于為了提高效率，因此采用同步的方式來讀取數據。
相關代碼的實現：
（1）連接OPC服務器。
Dim MyOPCServer As OPCServer ‘定義服務器對象變量MyOPCServer
Dim MyOPCGroup As OPCGroup ‘定義OPC組對象變量MyOPCGroup
Set MyOPCServer = New OPCServer
MyOPCServer.Connect " OPCServer.WinCC.1" ‘連接OPC服務器
（2）添加OPC組對象。
Set MyOPCGroup="MyOPCServer".OPCGroups.Add（"Group1"）
‘添加OPC組對象
MyOPCGroup.IsSubscribed= True‘設置該組數據為后臺刷新
MyOPCGroup.IsActive = True‘設置該組為激活狀態
MyOPCGroup.UpdateRate=1000‘設置數據刷新時間為1000
（3）添加數據項。
Dim ItemIDs（） As String
Dim ClientHandles（） As Long‘客戶端句柄
Dim ServerHandles（） As Long‘服務器端句柄
Dim Errors（） As Long
Dim i As Long
ItemCount=4
ClientHandles（i） = I
…………………..
MyOPCGroup.OPCItems.AddItems ItemCount， ItemIDs， ClientHandles， ServerHandles， Errors‘添加數據項操作
（4）同步數據讀寫。
……………………
MyOPCGroup.SyncRead OPCCache， ItemCount， ServerHandles， ReadValue， Errors‘同步讀數據
MyOPCGroup.SyncWrite ItemCount， ServerHandles， valuess， Errors‘同步寫數據
（5）斷開OPC服務器。
MyOPCServer.OPCGroups.RemoveAll‘移除所有OPC Group
Set MyOPCGroup = Nothing
MyOPCServer.Disconnect‘斷開連接
3.2.3 利用vb的ADO技術進行數據的轉存
在VB 6.0主要利用ADO技術來完成對數據庫的訪問，在VB 中如果想使用ADO技術首先應該創建該對象，然后通過對相關控件屬性的設置即可進行數據庫的連接。相關的核心代碼為：
Private Sub Command7_Click（）
Dim Value1 As Variant， Quality As Variant， TimeStamp As Variant
……………………………………
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值1"） = Value1
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值2"） = Value2
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值3"） = Value3
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值4"） = Value4
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集時間"） = TimeStamp4
Form7.Adodc1.Recordset.Update
Form7.Adodc1.Refresh
………………………………..
End Sub
4 結論
在工業現場領域中，OPC的作用已經越來越重要。它給硬件和軟件提供商提供了一套標準，本次軟件的設計正是基于這一標準，成功的利用vb開發一套OPC客戶端軟件，可以有效的將不同系統中OPC服務端的數據轉存到數據庫中，從而為工業現場異構系統之間數據集成提供了可能。
眾所周知，工業現場正在向信息化和網絡化發展，而企業對工業現場的遠程監控的需求越來越多，而本次軟件的設計，已經將異構系統之間的數據很好的轉存到了數據庫中，這就為將來工業現場異構系統之間的遠程監控提供了一個很好的平臺。
參考文獻
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作者單位
關鍵詞：實時以太網； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站軟件
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）16-3678-04
將以太網技術應用于現場總線技術是分布式控制系統發展的必然趨勢，與傳統的現場總線相比，以太網現場總線具有刷新周期短，數據傳輸容量大，數據傳輸效率高，同步性能高等優點。目前常用的實時工業以太網技術有EtherCAT技術、EtherNet/IPIP技術、Ethernet Powerlink技術、Modbus/TCP技術等[1-3]。
EtherCAT是由德國Beckhoff 自動化公司開發，該總線具有高速和高數據有效率的特點，在硬件實現上具有網絡拓撲結構靈活、接線簡單、性價比高等優點，為今后實時工業以太網的發展趨勢，更是今后實時分布式控制系統的首選[4]。
1 Ethercat總線的工作原理與相關協議[5-6]
1.1 Ethercat總線的工作原理
2 主站的硬件設計
2.1 DSP單元
核心器件采用TMS320C6455[9]，該器件TI公司推出的高速信號處理器，最高工作頻率為1.2GHz，該模塊主要電路包括時鐘、復位、JTAG調試接口、存儲器、通信電路、模擬量接收電路等組成。DSP主要用于復雜的實時信號處理（如：數控系統多軸的運動軌跡規劃、實時的插補算法、誤差補償、伺服濾波算法），并將運算結果通過FPGA傳送到PowerPC控制的EtherCAT總線上。存儲器電路主要包括DDR2存儲器以及FLASH存儲器和DSP的接口，DDR2存儲器用于存放數據，FLASH存儲器用于存儲運行程序和系統重要參數。模擬量接收電路在FPGA控制下，將外部輸入的模擬信號數字化后送入DSP，用于數據信號處理。通信電路主要為千兆以太網接口電路，DSP內部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通過外部擴展PHY芯片實現網絡功能，千兆網主要用于系統參數設置和調試使用。
2.2 FPGA單元
在設計中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件內部有39600個LE 資源，有1兆位的RAM，可提供三百多個輸入輸出 引腳，芯片內部集成了一百多個個乘法器和4 個PLL 鎖相環，滿足硬件設計需求。FPGA用于實現DSP和PowerPC的雙向數據交換，PowerPC將接收到的EtherCAT總線上各控制單元的信息通過FPGA傳送到DSP內部，DSP通過FPGA可以將相應的數據傳到EtherCAT總線上各單元。另外，FPGA還用于邏輯控制，實現模擬量輸入輸出信息、開關量輸入輸出信息與DSP、PowerPC的無縫連接。
2.3 PowerPC （MPC5200B）單元
主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，該器件為Freescale 公司推出的32位高性能處理器，器件主頻工作頻率為400MHz，為了提高程序運算速度，器件內核分別帶有16K字節的程序、數據高速緩存，帶有一個雙精度浮點處理單元。對于外部關鍵信號，片內帶有標準中斷管理單元。為了實現器件與外部通信，MPC5200B片內集成一路100M的以太網控制器，兩路CAN總線控制器，多路串行口控制器。該單元由MPC5200B、時鐘電路、復位電路、JTAG 調試接口、通信接口電路、存儲器接口電路以及對外擴展接口電路等組成。該模塊主要用于實現用于實現EtherCAT的物理接口以及主站協議的軟件實現，并提供相應的控制軟件。
2.4 電源單元
2.5 通信單元
在設計中為了考慮硬件的兼容性，采用了多種通信接口，在DSP上掛接一路1000M的以太網，用于DSP系統調試參數設置，在PowerPC上掛接一路100M以太網接口，六路串行接口（分別為2個RS232口、兩個RS485口、2個CAN接口）。1000M的以太網用于實現EtherCAT總線物理接口，RS232口用于實現與PC通信，RS485口和CAN接口可以實現與其他設備接口，滿足系統通用性要求。
3 主站軟件設計
EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC兩個運行程序，DSP程序主要功能是實現復雜控制算法，PowerPC程序功能為實現EtherCAT協議的通信和設備的控制。DSP運行的軟件主要為算法研究，由于篇幅所限，文章著重詳述在PowerPC硬件平臺下，EtherCAT協議和控制軟件在Linux操作系統中的實現。
3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站軟件功能
在PowerPC下運行的EtherCAT 主站軟件主要包含如下功能：首先，完成系統主站硬件的初始化，軟件能夠對系統運行時間進行計數，對系統運行狀態進行監控；其次，主站軟件通過發送命令要對EtherCAT 系統以及各個從站進行初始化，實現主站與各從站之間的數據實時交換，實現相關協議解析和轉發；再次，主站軟件可支持在線下載、實時更新。軟件結構采用模塊化編程，底層軟件提供硬件驅動，中間層軟件為上層應用軟件和底層軟件提供接口，實現上層應用軟件與驅動軟件隔離。
3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站軟件具體實現
EtherCAT初始化完成后，在Linux內新建兩個內核定時器，一個用于完成周期性數據通信，另一個用于輪詢非周期性任務，也就是狀態機處理任務。周期性數據通信定時器的優先級最高，定時器運行周期通過配置軟件設置，非周期任務查詢定時器的優先級較低，周期可定為50毫秒。
初始化和配置完成后，啟動定時器開始發送周期性數據幀，并檢查返回的數據幀，對返回的數據幀進行解析，獲取從站的數據交給DSP處理，DSP對數據進行處理后，將新的輸出命令發給PowerPC，PowerPC繼續發送周期性數據幀。
4 結論
采用基于DSP和PowerPC的硬件平臺實現了EtherCAT總線主站相關協議，通過測試可知， 主站周期性的向各從站（測試時，從站數量為3）發送EtherCAT 數據包（數據包數量為1518字節），各從站接收到自己的數據包，再向主站返回相應信息，EtherCAT總線延時時間為3.02μS，可以看出主站設計滿足實時性要求。
參考文獻：
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關鍵詞:嵌入式系統 數控系統 系統設計
中圖分類號:文獻標識碼:A文章編號:1007-9416(2010)05-0000-00
1引言
從20世紀70年代以來,以數控機床為代表的現代基礎機械已成為制造工業最重要的技術特征,數控機床水平的高低和機床數控化率的高低已成為衡量國家工業化水平高低的重要標志。數控系統是數控機床的大腦,是計算機技術在機械制造領域的一種典型應用,它集計算機技術、測量技術、現代機械制造技術、微電子技術、自動控制技術、信息處理技術等多項技術于一體,是近年來應用領域中發展十分迅速的一項高新技術。
隨著電子技術的飛速發展,數控系統逐漸朝嵌入式方向發展。嵌入式系統是近年發展最快的技術之一,它是以應用為中心,以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。本論文主要對嵌入式數控系統進行研究設計,以期從中找到可行的嵌入式數控系統控制方法,并以此和廣大同行分享。
2嵌入式數控系統總體結構設計
系統由幾個不同功能的模塊組成,模塊間通過并行I/O、高速串行協議或其他方法相互聯系。主要包括人機交互裝置、嵌入式數控操作和管理模塊、嵌入式運動控制模塊和I/O及伺服控制器等。
嵌入式數控操作和管理模塊通過I/O與人機交互裝置相連,并通過串口與運動控制模塊連接,運動控制模塊通過I/O模塊與伺服控制器和機床各開關量相連。
(l) 人機交互裝置。包括一個LCD顯示器、一個鍵盤和其他一些按鈕,完成人機交互任務,例如NC代碼的輸入/編輯顯示、手動操作以及一些機床狀態顯示等。
(2) 嵌入式數控操作和管理模塊。是數控系統的核心模塊之一,負責全部的人機交互處理,各種機床參數的設置,NC代碼的編輯、編譯、存儲和傳輸,系統監控與故障診斷,移動U盤的控制及網絡通信等。
(3) 嵌入式數控運動控制模塊。機床邏輯運動控制的核心,利用邏輯運算能力,負責送料機運行軌跡的計算、插補、反向間隙補償、信號采集、主軸及開關量控制等實時性強的運算和控制。
(4) I/O模塊與伺服控制器。FO模塊的主要任務是不同電平的轉換、隔離及功率放大等。包括3.3V到5V轉換、3.3V到24V的轉換、采用光電禍合器隔離防止干擾以及增大驅動功率等。另外還包括單路信號轉換成差分信號及差分信號轉換成單路信號電路。伺服控制器的作用在于接受來自上位控制裝置的指令信號,驅動被控對象跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確。
3嵌入式數控系統的設計與實現
3.1 硬件設計
本論文所設計的嵌入式數控系統硬件系統結構構成原理圖如下圖所示:
(1)ARM微處理器模塊。ARM處理器是系統的控制核心,負責運行數控系統控制軟件。本系統選用SAMSUNG公司的S3C44B0X處理器。本模塊還包括時鐘電路、復位電路和實時時鐘RTC(Real Time Counter)電路。
(2)存儲器模塊。存儲器是嵌入式系統中的重要組成部分,它用于存儲程序和數據。本系統的存儲器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存儲系統程序;SDRAM用于存儲系統運行時的程序與數據;SRAM用于存儲突然掉電時的重要實時數據;NAND-Flash用于存儲用戶的數控加工程序。
(3)電源模塊。新型的CPU和FPGA的內核電壓一般都是2.5V或以下的,I/O電壓一般都是3.3V。所選擇的開關電源可以提供5V,±12V,24V電源,其中±12V用于主軸模擬信號模塊電路,24V用于光電隔離電路,因此,需要使用低壓差線性穩壓器產生3.3V和2.5V的電壓,供CPU、FPGA和CPLD使用。為了保證微處理器穩定而可靠地運行,還需要配置電壓監控電路。
(4)人機交互模塊。人機交互模塊包括鍵盤及指示燈模塊和液晶顯示模塊。鍵盤及指示燈模塊負責鍵盤的掃描并讀取鍵值,同時負責LED的顯示控制。液晶顯示模塊實現數控系統用戶界面。
(5)通信接口模塊。通信接口模塊包括JTAG接口、RS-232串行接口和USB接口。JTAG接口與PC通訊,實現系統運行程序的仿真調試;RS-232串行接口與PC通訊,實現NC文件的上傳與下載;USB接口實現對U盤NC文件的讀寫。
(6)D/A轉換模塊。D/A轉換模塊負責產生變頻器所需要的模擬信號,由隔離器件、D/A轉換器和集成運算放大器組成。
(7)CPLD/FPGA模塊。CPLD模塊包括CPLD、FPGA、CPLD對FPGA的配置電路。CPLD主要是用來對SRAM工藝的FPGA進行配置和加密,同時擴展數控系統的通用I/O口;FPGA主要負責精插補,產生軸運動所需的脈沖信號以及處理編碼器返回信號,同時負責處理手輪輸入和開關量的輸入輸出。
(8)輸入輸出模塊。本系統的輸入/輸出信號是通過FPGA和CPLD的邏輯控制來實現,以提高系統的工作可靠性和設計柔性。對于輸出的脈沖信號和輸入的編碼器信號采用差分輸出輸入的方式,這樣不僅提高脈沖傳輸的抗干擾能力,也增加了信號傳輸距離;而對于I/O信號則采用光電隔離的方法,進一步提高了系統的抗干擾性和可靠性。
3.2 軟件設計
該系統采用嵌入式μClinux 操作系統作為嵌入式數控系統軟件平臺,其源代碼開放、內核小,非常適合運行在嵌入式微處理器上,并且μClinux操作系統也支持TCP/ IP 協議,具有強大的網絡功能,同時該操作系統也支持多任務并發運行,可以采用多任務編程方法。這樣,數控系統的每個功能可以作為一個獨立的任務來實現,這大大地增強了系統軟件的可靠性、穩定性,也便于以后的維護和升級,同時也提供了圖形用戶接口(GUI),結合鍵盤、LCD 液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機交互界面。
(1) 調度任務的劃分。
軟件平臺設計中,采用嵌入式實時操作系統μClinux對系統多任務進行調度及管理。基于實時多任務操作系統的應用程序中,實時性取決于對任務及中斷的處理。用戶根據需要調用μClinux的任務調度函數,調度函數從就緒任務中尋找優先級最高的任務,并進行任務切換操作。μClinux把任務分為各不相同的優先級(唯一),已經準備就緒的高優先級的任務可以剝奪正在運行的低優先級對CPU的使用權,所以正確的任務劃分及優先級分配可以充分體現嵌入式實時操作系統任務調度算法的效率,從而提高整個系統的實時性能。μClinux可以支持64個任務,最多支持56個用戶任務,其余8個是系統任務。按照任務劃分原則,結合數控系統的具體要求,把應用軟件分成以下幾類任務:
① 數控系統基本功能實現任務:包括刀具的轉換、位置的測量、工件的插補運算及補充運算、加工工藝設置等等,該級別的優先級最高。
② 保護功能任務:主要是報警功能。要求盡可能快的完成。
③ 人機交互功能:鍵盤響應、顯示器顯示等。優先級最低。
(2) 軟件功能設計。
由于該嵌入式數控系統采用uClinux 操作系統管理系統的資源,相對于傳統的單片機,更類似一臺微型計算機系統,具有更強的性能和不同于傳統單片機的軟件設計方法,其軟件結構包括加載程序、uClinux內核、系統調用接口和應用程序。
加載程序負責在加電后對微處理器進行必要的硬件設置,初始化內存,并把uClinux 內核映像從Flash 中復制到內存,把控制權交給內核,使內核運行,最終使應用程序運行。uClinux內核作為應用程序控制系統硬件的接口,提供應用程序對硬件的間接訪問,在具體設計中,對微處理器中內置A/D 轉換器的操作、對鍵盤的操作以及對LCD的操作由在uClinux下編寫的設備驅動程序完成,這些驅動被編譯進uClinux 的內核。
系統任務的實現由兩個不同的進程實現:加工程序和網絡服務程序,分別用來完成數控系統的工件加工、計算的功能及網絡服務的功能。
4結語
數控系統作為現化制造業的核心技術,是衡量一個國家制造業水平的重要標志之一,受到各國的普遍重視,特別是發達國家。自20世紀80年代以來,國際上的數控技術和市場基本上被日本、德國和美國等少數公司所壟斷。考慮到我國機床數控系統當前的具體情況,研制一款擁有自主知識產權的嵌入式機床控制系統,對于提高我國中高檔數控系統的技術水平具有十分重要的意義。本文從嵌入式數控系統硬件平臺和軟件平臺的總體結構及其功能設計的角度對嵌入式數控系統進行了詳細的設計研究,對于我國嵌入式數控系統的開發與應用,是一次有益的嘗試與探索,是值得推廣和借鑒的。
參考文獻
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摘要： 針對單晶等徑生長過程中主要是對系統的溫度和晶體測徑環節的控制，介紹了一種基于模糊控制與PID算法的CZ法單晶等徑生長控制系統。詳細闡述系統的組成，重點介紹系統采用雙閉環串級控制。最后通過仿真測試，結果表明，該系統具有對現場溫度、單晶直徑等參數的合理控制和調節功能，能夠有效地改善系統控制性能。
關鍵詞： 直拉法（CZ法）；等徑生長；模糊PID ；仿真
0引言
CZ法即直拉法，是目前制備晶體人們普遍采用的一種方法。由于單晶等徑生長控制的關鍵是單晶棒，所以當忽略一些干擾因素時，單晶等徑生長主要受到溫度和單晶生長速度影響。系統若處于恒溫狀態下時，只通過單晶生長速度控制單晶直徑，單晶外形能夠保證，但晶體生長速度的變化就會影響單晶微觀質量。反之，系統處于恒速狀態下時，如果只通過溫度調節來控制單晶直徑，此時系統就變為一個緩慢時變、帶有隨機擾動的非最小相位系統，系統很難實現自動控徑。本文介紹一種將模糊控制和PID控制算法相結合，采用串級雙閉環回路，實現對晶體生長過程的溫度與單晶直徑的控制，其系統簡單、可靠，易于控制。
1控制系統方案及構成
1.1 控制系統方案模糊控制是通過模仿人的思維方式和控制經驗來實現控制的一種新的控制方法。它不依賴于控制對象的數學模型，通過對模糊信息的處理可以對復雜的控制對象實施良好的控制，而且模糊控制具有良好的魯棒性，即當對象的參數或結構有一定程度變化時仍然可以保持較好的控制性，它最適合用于非線性系統或當輸入及操作描述存在著不確定性關系的系統。而PID控制是目前應用最為廣泛的控制規律，根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分控制（D）進行控制。在實際運用和理論上分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能得到滿意的效果。
由于CZ法單晶等徑生長系統中影響晶體等徑生長的因素較多，例如：坩堝的溫度、提拉速度等，這些因素之間的關系是模糊的、不確定的，若單純采用模糊控制，實驗證明在線辨識結果不一定有效；若采用PID控制，實驗得出不僅控溫精度低，而且系統自適應能力較差。為了達到較高的精度，必須將模糊控制與PID控制算法相結合，綜合二者優點，系統選用模糊PID控制器。
1.2 基本構成本文論述CZ法單晶等徑生長模糊控制系統由直徑調節器、溫度調節器以及稱重測徑系統三部分組成，系統結構圖如圖1所示。其中直徑調節器是系統的控制核心，它可按用戶需求直接設定單晶直徑，并通過人機界面進行現場監視，方便用戶操作；溫度調節器又稱控溫儀，采用歐陸818P溫度控制器，該控制器內部為一智能的PID調節，與熱電偶配合使用進行測溫，測得的數據通過A/D轉換單元轉換為數字量，并利用系統軟件對其進行處理，同時輸出控制指令和數顯指令，完成整個測控系統的中央處理功能；稱重測徑系統具有獨立數據采集功能，采用簡單模糊控制器，利用單片機結合現場采集的直徑數據與用戶設定的直徑比較，產生偏差按照模糊PID控制算法計算出實時控制量即輸出量，再以此控制量通過D/A轉換電路改變輸出驅動信號調節晶體的提拉速度與堝升速度，使單晶直徑逐步達到用戶設定的直徑值。
2控制系統設計
2.1 控制回路組成CZ法單晶等徑生長控制系統中采用雙閉環串級控制系統結構。如圖2所示。系統設計為雙閉環回路中主控制回路由直徑調節器、副控制回路、晶體、測徑單元組成；副控制回路由溫度調節器、加熱器、單晶爐、測溫單元組成。其中把單晶直徑作為主被控對象，單晶爐溫度作為副被控對象；直徑調節器作為主調節器，溫度調節器作為副調節器。
2.2 控溫回路CZ法單晶等徑生長過程主要考慮因素之一是溫度控制，基本原理是由所測溫度與設定溫度校正曲線的溫度比較產生偏差信號作為模糊PID控制器的輸入，根據不同時刻的采樣點得到的偏差或偏差變化作為輸入變量，對系統被控對象參數K，T，?子，進行在線整定，輸出值可改變單晶爐溫度達到控徑的目的，同時也限制了單晶提拉速度的引起大范圍波動與變化，用來補償由于單晶長度生長變化而引起單晶爐中固、液體交界面熱穩態發生的變化。
在系統設計過程中將副控制回路設計成一個控溫系統，此時輸入就作為直徑調節器的輸出，而輸出的單晶爐溫度將對主被控對象單晶直徑產生直接作用。如圖3所示。在副控制回路中，對于單晶爐的溫度結構參數易變不易確定，通過純理論計算過程較為復雜，但采用仿真實驗方法進行測試就顯得比較方便。實驗時把單位階躍電壓信號即給定信號作為單晶爐的輸入，相當于單晶爐溫度突然變化的情況，通過仿真軟件測出單晶爐輸出溫度變化的過渡曲線。
3軟件設計
本系統邏輯控制軟件主要由單片機選用Intel公司的16位單片機80C196KC實現，采用模塊化結構設計。系統程序包括主程序和中斷子程序。其中主程序由初始化程序、A／D采樣子程序、鍵盤掃描子程序、模糊PID控制子程序等部分組成。系統主程序流程圖如圖3所示。初始化主要完成晶體輻射及熱傳導過程中系統各部件的初始化和自檢。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用80C196KC豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成溫度和直徑控制。與上位機的串行通信采用80C196KC自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數據雙向傳輸的異步性和實時性要求。
模糊控制PID算法子程序包括輸入量的模糊化、模糊化計算、輸出量的解模糊化三部分。由于模糊集采用非線性分類，所以對輸出量KP、TI、TD進行線性劃分。系統對具體參數設置后，形成PID控制器的參數KP、TI、TD的調整規則表，并對其進行在線調整。最后使用加權平均法對在線已經調整好的這三個參數進行解模糊。（圖4）
4實驗結果
系統通過強大功能的仿真軟件MATLAB實驗測試，在Simulink的環境下搭建非線性模塊，當搭建好后再對系統進行直接仿真，測試表明：該控制系統將晶體單晶等徑生長過程的溫度控制與晶體提拉速度完美結合，所生長出的單晶直徑達到用戶要求，而且單晶的等徑控制精度可達±1mm、±1.2mm等等。系統不僅穩態精度明顯提高，而且具有良好的動態性能和靈活性。
5結語
本文針對單晶等徑生長過程，分析了影響單晶生長的因素，控制策略是結合模糊控制與PID控制的優缺點，并確定系統選用模糊PID算法，設計了一個模糊控制與PID控制算法相結合的單晶等徑生長控制系統。系統采用雙閉環串級控制其控制是在常用單回路的基礎上增加了由溫度調節器、坩堝加熱器以及測溫單元組成的副控制回路，并且通過實驗測試，可有效地實現了單晶等徑生長控制，系統能夠達到較高的穩態精度。
參考文獻：
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