（中山市拓普康自控設備技術(shù)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(tǒng)設計彈簧機控制器，實現(xiàn)彈簧機系統(tǒng)高精度的位置控制。比之于臺灣的基于工控PC板的系統(tǒng)，成本更低，集成度更高，運行更穩(wěn)定可靠。

本設計系列化產(chǎn)品目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，以高精度、高可靠性、高性價比的巨大優(yōu)勢打破了臺灣彈簧機控制器在國內(nèi)彈簧機市場的壟斷格局，顯著提高了國產(chǎn)彈簧機械的市場競爭力，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彈簧機控制器采用整體式結(jié)構(gòu)，4軸伺服電機控制，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧機系統(tǒng)組成

彈簧機控制器主機提供以下接口：

伺服驅(qū)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(fā)生器信號接入和軸選、倍率等信號的接入。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

CPU模塊采用ARM9TDMI為核心處理器，F(xiàn)PGA實現(xiàn)運動控制所需輸入信號解碼、輸出信號編碼，實現(xiàn)多軸聯(lián)動實時運動控制輸出。

IO接口提供信號調(diào)理功能：將CPU和FPGA的輸出信號調(diào)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(diào)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(tǒng)的接口，顯示彈簧機實時運行狀態(tài)。

2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件平臺基于eCOS實時多任務操作系統(tǒng)，由各功能模塊有機聯(lián)系而構(gòu)成。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

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

應用軟件大致可分為三個主要任務，即人機界面、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)的顯示，參數(shù)管理，系統(tǒng)權(quán)限管理，在線幫助，U盤操作和限時停機等功能。

2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。用戶通過指令式表格的形式編輯程序，支持順序指令、循環(huán)指令和跳轉(zhuǎn)指令，將解釋完成的數(shù)據(jù)傳送給實時任務。

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

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

3）實時控制

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

（1）系統(tǒng)狀態(tài)和工作方式的處理，保證系統(tǒng)狀態(tài)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(diào)度執(zhí)行一次，且優(yōu)先級最高；數(shù)據(jù)處理任務每16ms調(diào)度執(zhí)行一次；人機界面作為主程序，不參與系統(tǒng)任務的調(diào)度，作為背景程序始終在空閑時間內(nèi)運行。這樣，系統(tǒng)的調(diào)度周期是確定的、固定的，每個任務按照設定的時間節(jié)拍運行。

系統(tǒng)的4ms定時中斷由硬件FPGA提供，不僅能夠保證任務運行節(jié)拍的一致性，而且時鐘中斷源保證唯一性。這樣，系統(tǒng)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(tǒng)的響應能力，又可以從軟件方面保證系統(tǒng)的準確定時。

3 軟件實現(xiàn)

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(zhuǎn)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(jù)具體的彈簧機機型需求，控制軸數(shù)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(yè)規(guī)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(zhuǎn)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(diào)試比較容易，不需要進行過多的參數(shù)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(lián)動。各軸之間的運動關系均為直線插補，在運動過程中根據(jù)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(shù)據(jù)填充到插補緩沖區(qū)，在數(shù)據(jù)處理的過程中需要注意以下四個問題：

1）運動指令的區(qū)分，是進行聯(lián)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(zhuǎn)指令時，需要等待插補的運行結(jié)果再決定處理順序；

3）遇到循環(huán)指令時，直接將指令解釋后送給插補緩沖區(qū)；

4）當運行過程中修改程序時，待整個程序執(zhí)行完之后將文件重新載入。

實時控制部分取得數(shù)據(jù)之后，根據(jù)軸的運動關系進行插補。插補過程中有兩種形式：一種是聯(lián)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(zhí)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(zhí)行；如果探針信號未檢測到，則給出記錄探針失敗次數(shù)，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?？刂疲徊捎们罢疤幚?。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(shù)據(jù)處理

控制器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理，主要包括文件名稱，數(shù)據(jù)處理任務在得到文件名稱之后，讀取文件內(nèi)容，開始進行數(shù)據(jù)處理。

如果在運行過程中，用戶修改了程序內(nèi)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(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理在整個程序執(zhí)行完后，重新讀取文件內(nèi)容。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊圖

系統(tǒng)不支持從文件任意行啟動，每次按下“啟動”按鈕之后，數(shù)據(jù)處理任務從文件首行開始進行處理。

2）程序數(shù)據(jù)

程序數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理任務將文件內(nèi)容進行處理之后的數(shù)據(jù)，并且傳送給實時控制任務。數(shù)據(jù)處理在將探針檢測信號送給實時控制時，需要等待運行結(jié)果；另一個需要實時控制任務給出程序啟動標志，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，還可以使用函數(shù)調(diào)用的方式實現(xiàn)，這里就不再列出了。

3）非易失數(shù)據(jù)

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

4）實時信息

這部分數(shù)據(jù)是實時運行過程中的信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

5）其他數(shù)據(jù)

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

3.4 程序指令格式

由于該系統(tǒng)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(shù)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(jié)束標志代表程序的結(jié)束。

4 結(jié)束語

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

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