（通信与信息系统专业论文）数控肋骨冷弯机控制系统设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术和计算机技术的不断发展，工业与信息技术的结合越来越紧 密，尤其是近年来随着后p c 时代的到来，嵌入式系统得到了广泛的应用，从消 费电子，到工业控制，航空航天等各个领域，嵌入式系统以其自身的优势极大 地推动了社会生产力的发展。嵌入式系统具有结构紧凑，可定制性强，实现模 块化等优点，可以很好的适应工业现场控制的要求。数控肋骨冷弯机是我校研 制的船用肋骨加工设备，它具有加工精度高，适应性强等特点，可以自动加工 各种肋骨型材。由于它结构与逻辑复杂，对控制系统的可靠性和稳定性要求较 高。针对这种状况，采用嵌入式系统，结合串行总线，对原有的控制系统进行升 级改造，减小了控制系统的体积，精简了设备结构，并且提高了控制系统的稳 定性，取得了良好的效果。 本文从系统总体设计，下位机和上位机三个阶段详细阐述了数控肋骨冷弯 机控制系统的设计和实现。结合系统的功能需求，分析了上位机控制平台和下 位机数据采集传输模块的硬件设计，以及上位机控制软件的功能结构，重点分 析了数据的采集，封装，传输，以及数据的检错和纠错机制。通过对输入输出 模块，核心处理模块，人机接口模块以及系统日志等其他辅助模块的实现分析， 全面分析了上位机软件控制系统中所要解决的问题，最后讨论了系统的可靠性 问题，包括系统的稳定性和对意外故障的容错能力。 本文的创新点是通过分析肋骨冷弯机的总体设计，下位机和上位机控制平 台的硬件设计和软件架构，实现了一个实际可运行的系统，并提出了系统抗干 扰设计，数据的检错与纠错问题的解决方法和方案，解决了系统的稳定性和容 错能力等问题。 关键字：数控肋骨冷弯机；工业控制；嵌入式；串行总线；可靠性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e c o n n e c t i o nb e t w e e ni n d u s t r ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ec l o s e l y t h a ne v e rb e f o r e d u r i n gr e c e n ty e a r s ，t h ee m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s ，f r o mc o n s u m e re l e c t r o n i c st oi n d u s t r i a lc o n t r o l ，i tg r e a t l yb o o s tt h es o c i e t y p r o d u c t i v i t yb ym e a l l so f i t ss p e c i a la d v a n t a g e s t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sc o m p a c t a r c h i t e c t u r e ，s t r o n gf l e x i b i l i t y , m o d u l a r i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o lw e l l t h ed i g i t a lr i b - b e n dr o b o ts y s t e mi sd e s i g n e d f o rm a k i n gb o a t u s e d - r i bb ym ys c h o o lw i t hh i 曲p r o c e s s i n gp r e c i s i o na n ds t r o n g s u i t a b i l i t y ，a n dc a np r o c e s sd i f f e r e n tt y p e so fr i b sa u t o m a t i c a l l y a si t sa r c h i t e c t u r e a n dc o n t r o ll o g i ci sc o m p l i c a t e ，t h ec o n t r o ls y s t e mm u s th a v eh i g hs t a b i l i t y a f t e r u p g r a d i n g i tt h r o u g hc o m b i n i n ge m b e d d e ds y s t e ma n ds e r i a lb u s ，t h ec o n t r o ls y s t e m b e c a m es m a l l e ra n dh a sh i g h e rs t a b i l i t y t h i sp a p e ra n a l y s i st h ed e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n to fd i g i t a lr i b b e n dr o b o t s y s t e mb a s e do nt h r e e s e c t i o n so ft h eo v e r a l ld e s i g n ，b o t t o ms u b s y s t e ma n dt o p s u b s y s t e m a f t e ra n a l y s i st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ，t h i sp a p e rs h o w st h eh a r d w a r e i m p l e m e n to ft o pc o n t r o l l i n gp l a t f o r ma n db o t t o mm o d u l ew h i c hu s e d f o rd a t a c a p t u r i n ga n dt r a n s f e r r i n g ，a n dt h e s o f t w a r ed e s i g no ft o pc o n t r o l l i n gm o d u l e ， e s p e c i a l l yf o c u so nt h ed a t as a m p l i n g ，a s s e m b l i n g ，t r a n s f e r r i n g ，a n de r r o rc h e c ka n d e r r o rc o r r e c t i o n ，w h i c hi m p r o v et h es t a b i l i t y t h r o u g ha n a l y s i st h ei m p l e m e n to fi n p u t a n do u t p u tm o d u l e ，u s e ri n t e r f a c em o d u l e ，k e r n e lp r o c e s s i n gm o d u l e ，l o g g i n gm o d u l e a n do t h e ra u x i l i a r ym o d u l e s ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep r o b l e m so ft o ps o f t w a r e c o n t r o l l i n gs y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es y s t e mr e l i a b i l i t y , i n c l u d i n g s t a b i l i t ya n d c a s u a le r r o rh a n d l i n g k e y w o r d s ：d i g i t a lr i b - b e n dr o b o t ：i n d u s t r yc o n t r o l ；e m b e d d e ds y s t e m ；s e r i a lb u s ； r e l i a b i l i t y h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 獬：斗蝴： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：期：坦： 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 随着信息技术和计算机技术的不断发展，工业控制与信息技术的结合日益 紧密，大规模集成电路的广泛应用，使得工业控制更加智能化。近年来，嵌入 式系统作为一种专用的计算机系统，凭借体积小，嵌入式系统已经渗入到信息 家电、消费电子、医疗仪器、工业控制、航空航天等社会生产和生活的各个领 域。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积，功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统最早应用在工业控制中，它的自身优势和工业控制对信息控制的需 求使得它们的结合成为必然的趋势i l 圳。现在的工业控制逐步从最初的简单控制 到复杂控制，自动化控制过渡，数字制造等概念的提出，更进一步表明了这一 点。 将嵌入式技术应用与工业控制中，最简单的应用模型就是数据输入，数据 处理，数据输出三个部分p 训，如图1 1 所示： 输出 输入 图1 1 工业控制模型 作为控制系统，它要实时监控正在运行的设备，获取设备的实时运行状态 数据作为输入，然后根据输入情况做出响应的判断，输出指令改变设备的运行 状态。这个过程是不断循环执行的。这三个过程不一定要顺序执行，因为输入 和输出是执行硬件操作，远远低于c p u 的处理速度，所以采用一定的机制可以 使这三个过程并行运行，提高控制系统的效率。在工业控制中，设备往往运行 在条件很恶劣的环境中，因此数据的传输要满足一定的抗干扰性和可靠性，错 误的输入和错误的输出都有可能造成严重的工业事故i ，叫j 。 数控肋骨冷弯机是我校研制的船用肋骨自动加工设备，它加工精度高，能 武汉理工大学硕士学位论文 根据提供的多种型材数据自动完成加工过程，而且加工效率很高，极大的推动 了船舶行业的发展。最初它的控制系统采用程控系统，加工的过程是用户手动 进行加工，随着对冷弯机研究的不断深入，提出了数控加工的概念，即将加工 过程由手动变为自动加工，加工过程不需要人工干预。数控m - f 与程控加工相 比是质的飞跃，不仅节约了加工时间，提高了生产效率，而且数控加工具有加 工精度高，成品率好，普通工人即可完成加工，节省了人力资源。数控加工具 有一定的智能性，因此它的控制逻辑非常复杂，对控制系统的要求较高，而且 由于它常年工作在造船车间这种干扰很强的环境中，因此对控制系统的可靠性 的要求也很高。基于这种需求，采用工业控制计算机( 简称工控机) 来完成控 制系统的主要控制功能i l ，采用专门设计的具有可靠性保证的嵌入式数据输入 输出模块来完成对加工数据的采集和传输。 1 2 国内外相关领域的研究现状 从世界上第一台采用电子管的数控系统研制成功以来快5 0 年了，近2 0 年是 它发展最快的年代，这得益于微电子技术、计算机技术、电力电子技术、信息 技术和现代控制理论等高科技的飞速进步l - l z 。现代数控系统发展总的来说就 是更加通用、开放智能、人性化和柔性化。系统结构除原有的并行总线系统以 外，近几年国际上又推出了串行总线数控系统，而且有关专家预测串行总线数 控系统将逐渐取代并行总线数控系统l i 3 - 1 4 l 。目前基于个人计算机p c 的c n c 数控 系统( 业界称之为第六代数控系统) 是数控系统的又一种新的发展方向。计算 机的缩小化趋势对工控界的影响就是嵌入式工业p c 的产生。体积小、功耗低、 模块化、全c m o s 结构、与i b m p c 全兼容的p c 1 0 4 标准产品为用户提供了良好 的硬件平台。费用低、通用性好、开发周期短，被用在智能仪表、通讯产品、 数控机床等方面i l 弘m j 。单片机特别是i n t e l s 0 5 1 系列单片机，具有性能完备、价 格低廉指令丰富等特点，将c p u 、存储器、模数转换器、数模转换器、定时器 l 计数器、串并口等集成于一体，并具有w a t c h d o g 和掉电保护能力，借助于开发 工具可以很容易构成多种小型控制系统，广泛用于智能仪器仪表、电子秤、机 电一体化产品中l j 。 船用肋骨如球扁钢、角钢等多为不对称截面型材，弯曲加工时会产生许多不 良变形，如旁弯、倒边等。为了获得比较好的肋骨加工件，一般需要使用专门的加 工设备肋骨冷弯机。针对船舶生产实际需求，王呈方教授提出了种具有自 2 武汉理工大学硕士学位论文 主知识产权的新机型机械手肋骨冷弯机。该机具有许多新特点并得到较好 的推广应用。 国内外都曾研制过肋骨冷弯机，试图通过理论计算和统计规律来预计和补 偿回弹量和延伸量，以其控制肋骨的弯曲精度，但效果始终无法令人满意。迄今 为止，除德国i m g 公司于2 0 世纪9 0 年代中期研制成数控肋骨冷弯机之外，其他国 外的著名公司，如瑞典s mt p u l m a x 、英国h ug hs mi t h 、意大利m a n e s m a n nd e m ag 和日本的f uji 等公司生产的肋骨冷弯机只能进行手工或 半自动操作，无法预计和自动补偿回弹和延伸。有些机型可以数字显示弯曲油缸 的进给量，还带有记忆功能，但无法对肋骨弯曲的全过程进行实时检测和控制。 我国从2 0 世纪6 0 年代末就开始了肋骨冷弯机的研制，但因为该课题难度较高， 而且在总体思路上未能突破老框框，因此收效不大。1 9 8 9 年，中国船舶工业总 公司将研制数控肋骨冷弯机，实现船体肋骨成形加工自动化作为一项重要的科 研任务下达给船舶工艺研究所。项目组成员经过十余年不懈努力，攻克了一系列 关键技术难题，先后研制成功了5 0 0 k n 、1 6 0 0 k n 、2 5 0 0 k n 、4 0 0 0 k n 几种规格共6 台 数控肋骨冷弯机，其中1 6 0 0 k n 以上的5 台机器分别在天津新河船厂、上海中华 船厂、浙江舟山船厂、广州文冲船厂和新加坡s tm a r i n e 投入使用。这些机器经 受了生产实践的考验，所弯制的肋骨线型光顺，精度很高，其优异的技术性能得 到了用户的高度赞赏。目前，船舶工艺研究所研制的数控肋骨冷弯机，已做到了 系列化和商品化，可以提供给船厂使用，实现肋骨冷弯成形加工全过程的自动 化。但由于此项新技术和工艺装备尚未被用户充分了解，因此，国内外绝大多数 造船企业仍然沿用“逆直线法”或采用样条来进行肋骨弯曲。1 9 9 1 年，船舶工艺研 究所、求新船厂、武汉水运学院、福建渔轮厂首次研制成功w l w5 0 0 k n 数控 肋骨冷弯机，并在福建渔轮厂进行试用，该机验证了总体思路和数学模型的可 行性。1 9 9 7 年，船舶工艺研究所研制成功w l w1 6 0 0 k n 数控肋骨冷弯机。在天 津新河船厂投入使用。该型机在机械结构和控制方法等方面作了重大的改进，对 生产的适应性和弯曲成形工艺的研究也取得了较好的成果，找到了控制旁弯、倒 边、翘曲、皱折的有效途径。该机的可靠性、工艺方面的完善和对生产的适应 能力已能满足实际生产的要求。这标志着数控肋骨冷弯机已经实现了由实验样 机向实用产品的转换，也为研制4 0 0 0 k n 级的机型打下了一个坚实的基础。2 0 0 0 年初，船舶工艺所研制的w l w4 0 0 0 k n 数控肋骨冷弯机在上海中华船厂通过验 收并投入使用。该型机在整机刚性、液压回路、控制软件和工艺研究等方面又 武汉理工大学硕士学位论文 有了新的改进和提高。整机刚性增加，夹头处可移动距离增大，便于观察操作。 液压回路增设了比例阀，使变速十分平稳。控制软件作了重要修改，实现实时多 变量控制。增加了在肋骨弯制成形的同时寻找肋骨端线、流水孔位置并发出标 记命令的功能。该机的成功应用，标志着在肋骨冷弯自动化方面又上了一个台阶， 证明我们已经具备了向国内外各大型船厂提供这类一流设备的能力。 肋骨数控全自动弯曲可以快速、高精度地一次成形，不需要任何水火矫正， 对“s ”形肋骨、反弯肋骨弯制，其优点尤其突出，一般一根8 9 m 长的肋骨弯成 “s ”形，只需2 0 5 m i n 时间即可完成，精度达到要求，外观平整，线型光顺。而以手 动弯曲较复杂的“s ”形肋骨，纵使由经验丰富的熟练技工操作，也需要2 4 h 时 间方能完成，而且其精度和外观质量，跟数控弯曲无法相比。各用户的使用报告 显示，整体加工效率可提高4 8 倍，而且给下道工序的分段装配提供了方便，缩短 了分段制作周期。配备高可靠性的工控机，内装专用控制软件。提供中文菜单式 人机界面，具有肋骨线型显示、肋骨线型跟踪显示、加工状态跟踪、加工时间记 录、故障自诊断等功能。用户界面直观友好，参数修改方便，甩头长度、检测距 离等可根据调整后的实际数据从窗1 3 直接输入i l 阳。 1 3 本文的主要内容和结构安排 本文主要阐述了数控肋骨冷弯机控制系统的设计与实现的原理。论文首先 根据系统的需求分析，介绍了控制系统的整体设计方案，然后分别从下位机和 上位机两方面，具体阐述了控制系统的实现原理。本文还分析并研究了影响系 统实时性、稳定性与可靠性的因素，并给出了具体的解决方案。下面是本文的 主要结构安排： 第一章是绪论。阐明了本文的研究背景与现状，工作的主要内容和论文的 安排，工作的目的和意义等方面的内容。 第二章阐述了系统的总体架构。首先对控制系统的需求和功能做简单的分 析，在此基础上，确定硬件和软件的基本设计架构，包括硬件的选择，传输方 式的选择，软件的功能模块，模块间的关系等相关问题。 第三章详细分析了控制系统中下位机的实现。包括c 8 0 5 1 f o x x x 系列单片机 的功能介绍，串口总线协议。阐述了数据的采集和传输方面采用的技术。并对 数据的检错与纠错以及数据传输的可靠性分析进行了分析与研究。 第四章详细分析了上位机的实现原理。本章首先对上位机软件的功能模块 4 武汉理工大学硕士学位论文 进行了介绍，然后依此介绍了输入输出模块，核心处理模块，人机接口模块以 及其他辅助模块的功能与实现。最后详细从系统的稳定性和容错能力两方面分 析了系统的可靠性问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章肋骨冷弯机控制系统总体设计 2 1 系统功能概述 数控肋骨冷弯机是我校研制的船用肋骨钢材加工设备，它具有自动加工， 加工精度高，操作方便，性能可靠等特点。数控肋骨冷弯机不仅可以工作在手 动加工模式，通过操作人员加工出所需要的肋骨，还可以工作在自动加工模式， 按照提供的肋骨规格数据，不需要人工干预，自动进行加工，大大缩短了加工 时间，提高了生产效率。 数控肋骨冷弯机控制系统的主要功能是根据给定的肋骨型材规格数据的描 述，指导冷弯机加工出符合要求的肋骨型材。具体包括以下几个基本的功能模 块： ( 1 ) 读取并分析肋骨型材的数据 ( 2 ) 通过数据采集模块获取冷弯机当前的状态 ( 3 ) 状态处理模块 ( 4 ) 命令输出模块 ( 5 ) 其他辅助模块 这些功能模块可以用图2 1 表示： 图2 1 控制系功能模块概况 6 武汉理工大学硕士学位论文 可以看到，这些模块处于一种层次化的状态，最底层靠近设备的是数据传 输模块，它负责完成两方面的任务，一是通过安装在设备不同位置的传感器获 取机器状态数据，然后向上传输到控制模块；二是接收控制模块的命令，转化 成机器识别的电信号发送到设备控制部件。 然后是输入和输出模块。他们的功能是向上层的状态处理模块提供可靠的 状态数据，以及向下层的数据数据传输模块正确发送命令。在这一层中，要完 成对数据的完整性和可靠性的检查，保证接收到的是正确的状态数据。输出时 也要做保护性检查，防止发出错误命令。另外作为输入输出模块，在接收数据 和发送数据的时候操作硬件功能，速度比c p u 处理速度慢很多，因此也要保证 数据能够高效的传输，以免影响上层的状态处理效率。 最上层的是状态处理模块，它完成复杂的逻辑控制功能，具体有通过输入 模块获取状态数据，及时针对各种状况做出处理，包括正常的处理和错误处理， 以及紧急情况的处理。另外，作为控制系统的核心，还负责响应用户的操作， 以及在加工过程中向用户实时展示直观的加工流程。 其他模块包括用户界面模块，控制系统配置模块等等。综上所述，系统的 整体架构如图2 2 所示： l 状态显示用户操作 l 丁上 核心处理 t1 l r i 输入模块输出模块 i t上 下位机 t 1 l r i 肋骨冷弯机 图2 2 控制系统架构 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统硬件结构设计 2 2 1 上位机控制平台 通过上面的分析，控制系统的核心处理不仅完成输入和输出操作，还包括 数据的处理，响应用户的操作请求，以及以直观的界面向用户展示加工状态， 因此任务相当繁重。简单的单任务平台不能适应系统的需求，需要支持多任务 的控制平台，包括支持多任务的处理器和多任务的操作系统。目前常用的多任 务操作系统有w i n d o w s ，w i n c e ，l i n u x ，u c l i n u x 等，常用的多任务处理器有 a r m 系列，x 8 6 系列等。最终选择了p c 1 0 4 总线的工控机作为上层控制的硬 件平台【2 2 1 。 工控机是工业控制中常用的控制平台，它具有恶劣环境适应能力、能长期 稳定工作，与p c 机比较，它的特点是强大的输入输出能力，高可靠性，抗干扰 性与实时性。现在有一定市场规模的产品有i p c ，p c 1 0 4 或p c 1 0 4 p l u s ， v m e v x i ，a t 9 6 ，c o m p a c t p c i 等。其中，p c 10 4 凭借小尺寸，开放的高可靠性 的工业规范，模块可自由扩展，低功耗，堆栈式连接，丰富的软件资源等优势， 在工控机领域担当重要的角色。工控机是非常成熟稳定的产品，它采用标准机 箱，可以装入控制机柜中，一体式工控机携带高分辨率的工业用触摸屏，便于 用户使用。另外选用了w i n d o w s 2 0 0 0 作为控制平台的操作系统。w i n d o w s 2 0 0 0 提供了丰富的应用程序编程接口，支持内核态多线程，以及方便的图形化开发 工具和大量可用的编程资源。 2 2 2 下位机数据传输模块 数据传输模块主要完成两个任务，一是多通道数据采集，二是转换上层控 制软件发送的命令到不同的设备器件。为此，设计了两块板卡，分别处理这两 个任务，一个作为输入卡，一个作为输出卡，它们与工控机通过r s 4 8 5 总线相 连。板卡的处理器采用c 8 0 5 l f 0 x x x 系列单片机。c 8 0 5 l f 0 x x x 系列是美国c y g n a l 公司生产的与m c s 5 l 内核和指令集完全兼容的混合信号片上系统( s o c ) 。片 内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件，它的特点是高达2 5 m i p s 的执 行速度，8 路高性能1 2 为a d c ( 最大转换速率为1 0 0k s p s ) 数据采集系统，附 8 武汉理工大学硕士学位论文 带典型的串行通信接口，2 2 个中断源。为了更进一步提高实时性，采用每一路 一个单片机负责采集，然后汇总到主处理器，保证多路数据的时间一致性。 因为肋骨冷弯机工作在干扰严重的造船车间，所以使用r s 4 8 5 提高数据传 输的可靠性1 2 3 2 4 1 。r s 4 8 5 相比r s 2 3 2 有如下特点： ( 1 ) r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“l ”以两线间的电压差为+ ( 2 一) v 表示； 逻辑“0 ”以两线间的电压差为( 2 一) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 一c 降低 了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与1 _ r l 电平兼容，可方便与t t l 电 路连接。 ( 2 ) r s 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s 。 ( 3 ) r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增 强，即抗噪声干扰性好。 ( 4 ) r s 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米， 另外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利 用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 2 3 上位机软件结构设计 软件模块主要完成三个方面的任务，一是响应用户控制事件和加工流程的 动态显示，二是通过输入模块和输出模块完成对设备状态的获取和控制，三是 核心的状态处理流程。控制系统软件基于w i n d o w s 2 0 0 0 实现，开发工具采用 v i s u a lc + + 6 0 w i n d o w s 提供的m f c 库方便实现用户控制响应事件以及加工流 程的实时动态显示弘川。w i n d o w s 提供了很多机制来访问串口数据，目前流行的 方法有三种：一是利用c m s c o m m 控件进行通讯，二是利用w i n a p i 函数进行 编程，三是利用网络上面提供的一些串口通讯控件进行编写l z 吖。因为需要对 数据进行可靠性检测，以及完成更多的功能，采用w i n a p i 自己编写了一个串 口类，完成输入和输出模块功能。核心状态处理采用类似于状态机的机制，完 成对设备的状态控制。在系统启动以后，它从输入模块获取数据，然后分析处 理，最后将命令输出到输出模块。整个软件流程框图如2 3 所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 上位机控制软件流程简图 系统启动后首先进行系统的初始化，包括软件初始化和硬件初始化两个部 分。软件初始化创建必要的系统资源，读取系统的设置参数等，硬件初始化主 要是调用输入输出模块的例程初始化设备。然后进入加工前的准备阶段。如果 系统是第一次运行，需要手动设置系统参数，进行设备的标定等工作。当用户 提供要加工的型材数据后，控制系统可以开始自动加工，这时转入状态处理模 块。状态处理模块从输入模块读取状态数据，进行状态处理。同时也会接收用 户的输入信号，比如暂停，转入手动，紧急退出等命令。处理的结果有两个方 面，一是给用户看的加工流程实时显示，另一个是产生新的加工命令传输给设 备。 2 4 本章小结 本章描述了系统的功能需求，从硬件和软件两方面探讨了系统的设计方案。 硬件方面包括上位机的控制平台，采用的是p c 10 4 工控机作为控制平台，下位 机采用c 8 0 5 1 f 0 x x x 系列单片机设计的输入板卡和输出板卡，上位机和下位机之 间采用r s - 4 8 5 进行通信。软件方面介绍了控制软件的主要任务，并划分了不同 的功能模块，简单描述了控制软件的执行流程。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章肋骨冷弯机控制系统下位机的实现 在整个控制系统中，下位机的功能处于设备和上位机之间，因此它的可靠 准确与否直接关系到系统能否正常运行。就其实现的功能来说，主要完成以下 三方面的任务： ( 1 ) 信号的采集和封装 ( 2 ) 数据的发送和接收 ( 3 ) 数据的纠错检错处理 下位机通过安装在肋骨冷弯机上的各种传感器采集状态数据，然后封装成 数据帧，发送给上位机。同时它也会接收上位机发下来的指令输出到控制部件。 在信号的采集过程中，要完成对数据的纠错和检错处理，以提高数据的完整性 和准确性。 3 1c 8 0 5 1 f 0 x x x 单片机功能介绍 在第2 章的下位机设计中，选用c 8 0 5 1 f o x x x 单片机作为下位机的处理器。 c 8 0 5 1 f o x x x 系列单片机是美国c y g n a l 公司生产的与m c s 一5 1 内核和指令集合完 全兼容的c i p 一5 1 内核的混合信号片上系统( s o c ) 。c i p 5 l 与m c s 5 l 指令集完 全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c i p 5 1 内核 具有标准的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 、 2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器s f r 地址控件及8 4 个8 位宽的 i 0 端口。c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很 大的提高。在标准8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系 统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m h z 。而独语c i p 5 1 内核，7 0 的指令 的执行时间为l 或者2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系 统时钟周期。c i p 5 l 内核工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，其峰值性能达到 2 5 m i p s 。图3 1 给出了几种8 位微控制器工作在最大系统时钟时峰值速度的比 较关系。 武汉理工大学硕士学位论文 i t - - - q s i l i c o nl a b sl i c r o c h i p p h i l i p s a d u c 8 1 2 c i p - 5 1p i c l 7 c 7 5 x 8 0 c 5 1 8 0 5 i ( 2 5 1 h xc l k ) ( 3 3 i h xc l k ) ( 3 3 x h zc l k ) ( 1 6 1 h xc l k ) 图3 1 几种微控制器峰值速度的比较图 而且c 8 0 5 1 f 0 x x x 系列m c u 改进了c i p 5 1 内核和外设设计，提高了整体性 能，更易于在最终应用中使用。在下位机的实现中，采用p c a 捕获中断进行计 数，通过s p i 总线连接各个单片机，通过u a r t 完成数据的发送和接收。具体 采集实现在下一节中介绍，下面详细介绍下位机中用到的单片机功能模块。 3 1 1 中断系统 c i p 5 1 包含一个扩展的中断系统，支持2 0 个中断源，每个中断源有两个优 先级：低优先级和高优先级。一个低优先级的中断服务程序可以被高优先级的 中断所中断，但高优先级的中断不能被中断。每个中断在s f r 中都有一个配置 其优先级的中断优先级置位，缺省值位低优先级。如果两个中断同时发生，具 有高优先级的中断先得到服务。如果这两个中断的优先级相同，则由固定的优 先级顺序决定哪个先得到服务。 中断响应时间取决于中断发生时c p u 的状态。中断系统在每个系统时钟周 期对中断标志采样并对优先级译码。最快的响应时间为5 个系统时钟周期：一 个周期用于检测中断，4 个周期完成对i s r 的长调用( l c a l l ) 。如果中断标 志有效时c p u 正在执行r e t i 指令，则需要再执行一条指令才能进入中断服务 程序。因此，最长的中断响应时间( 没有其它中断正被服务或新中断具有较高 优先级) 发生在c p u 正在执行r e t i 指令，而下一条指令是d i v 的情况。在 5 0 5 0 5 箱 加 坫 加 5 武汉理工大学硕士学位论文 这种情况下，响应时间为1 8 个系统时钟周期：一个时钟周期用于检测中断，5 个 周期执行r e t i ，8 个周期执行d i v 指令，4 个周期完成对i s r 的长调用 ( l c a l l ) 。如果c p u 正在执行一个具有相同或更高优先级的中断的i s r ，则 新中断要等到当前i s r 执行完( 包括r e t i 和下一条指令) 才能得到服务。 3 1 2 串行外设接口s p i s p i 接口的全称是”s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e , 意为串行外围接口，是m o t o r o l a 首先在其m c 6 8 h c 凇系列处理器上定义的。s p i 接口主要应用在e e p r o m ， f l a s h ，实时时钟，a d 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。s p i 接口是在c p u 和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲 下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比 1 2 c 总线要快，速度可达到几m b p s 。s p i 接口是以主从方式工作的，这种模式通常 有一个主器件和一个或多个从器件，其接口包括以下四种信号： ( 1 ) m o s i - 主器件数据输出，从器件数据输入 ( 2 ) m i s o - 主器件数据输入，从器件数据输出 ( 3 ) s c l k _ 时钟信号，由主器件产生 ( 4 ) n s s 一从器件使能信号，由主器件控制 在点对点的通信中，s p i 接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单 高效。在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号，硬件上比1 2 c 系 统要稍微复杂一些。图3 2 和3 3 是这两种连接模式的示意图。 图3 2s p i 点对点连接 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3s p i 总线多从器件连接 s p l 0 时钟速率寄存器控制主方式的串行时钟频率。当工作于从方式时该寄 存器被忽略。当s p i 被配置为主器件时，最大数据传输率( 位秒) 是系统时钟 频率的二分之一。当s p i 被配置为从器件时，全双工操作的最大数据传输率( 位 秒) 是系统时钟频率的十分之一，前提是主器件与系统时钟同步发出s c k 、n s s ( 在4 线从方式) 和串行输入数据。如果主器件发出的s c k 、n s s 及串行输入 数据不同步，则最大数据传输率( 位秒) 必须小于系统时钟频率的十分之一。 在主器件只想发送数据到从器件而不需要接收从器件发出的数据( 即半双工操 作) 这一特殊情况下，s p i 从器件接收数据时的最大数据传输率( 位秒) 是系 统时钟频率的四分之一，这是在假设由主器件发出s c k 、n s s 和串行输入数据 与系统时钟同步的情况下。图3 4 是s p i 时钟时序图。 厂广 广一厂广一广广一广 - - - _ _ j _ _ _ _ 一 _ _ _ 一 l i _ _ - 一 l 一 l 一 1 ll 一1 1 i - _ _ _ j j 广一厂一广一广一_ j j _ - 一- - _ 一_ - _ 一_ _ _ _ 一 燃哪： l i t t 1b i l ； i t ：叭】 b 70 i tl籼lo删 1 |广 图3 4s p i 总线数据时钟时序图 1 4 峰 蚴 雠 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3u a r t u a r t 0 是一个具有帧错误检测和地址识别硬件的增强型串行口。u a r t 0 可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并支持多处理器通信。接收数 据被暂存于一个保持寄存器中，这就允许u a r t 0 在软件尚未读取前一个数据字 节的情况下开始接收第二个输入数据字节。一个接收覆盖位用于指示新的接收 数据已被锁存到接收缓冲器而前一个接收数据尚未被读取。对u a r t 0 的控制和 访问是通过相关的特殊功能寄存器即串行控制寄存器( s c o n 0 ) 和串行数据缓 冲器( s b u f 0 ) 来实现的。用同一个s b u f 0 地址可以访问发送寄存器和接收寄 存器。读操作将自动访问接收寄存器，而写操作自动访问发送寄存器。u a r t 0 可 以工作在查询或中断方式。u a r t 0 有两个中断源：一个发送中断标志t 1 0 ( s c o n 0 1 ) ( 数据字节发送结束时置位) 和一个接收中断标志r 1 0 ( s c o n 0 0 ) ( 接收完一个数据字节后置位) 。当c p u 转向中断服务程序时硬件不清除 u a r t 0 中断标志，中断标志必须用软件清除。这就允许软件查询u a r t 0 中断 的原因( 发送完成或接收完成) 。 u a r t o 提供四种工作方式( 一种同步方式和三种异步方式) ，通过设置 s c o n 0 寄存器中的配置位选择。这四种方式提供不同的波特率和通信协议。表 3 1 对四种工作模式进行了比较。 表3 1u a r t 0 的四种工作方式 方式同步性波特率时钟 数据位起始停止位 0 同步 s y s c l k 1 28 无 l 异步定时器l 、2 、3 或4 溢出8一个起始位，一个停止位 2异步s y s c l k 3 2 或s y s c l 列6 49一个起始位，一个停止位 3 异步定时器l 、2 、3 或4 溢出 9一个起始位，一个停止位 3 1 4 可编程计数器阵列( p c a 捕获) 可编程计数器阵列( p c a 0 ) 提供增强的定时器功能，与标准8 0 5 1 计数器 定时器相比，它需要较少的c p u 干预。p c a 0 包含一个专用的1 6 位计数器定时 器和6 个1 6 位捕捉比较模块。每个捕捉比较模块有其自己的i o 线( c e x n ) 。 每个捕获模块都可被配置为独立工作，有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件 定时器、高速输出、频率输出、8 位脉宽调制器和1 6 位脉宽调制器。p c a o c p m n 武汉理工大学硕士学位论文 寄存器用于配置p c a 捕捉比较模块的工作方式，置l p c a o c p m n 寄存器中的 e c c f n 位将允许模块的c c f n 中断。注意：要使单独的c c f n 中断得到响应， 必须先整体允许p c a o 中断。通过将e a 位( i e 7 ) 和e p c a 0 位( e i e l 3 ) 设置 为逻辑1 来整体允许p c a 0 中断。 对于边沿触发方式，c e x n 引脚上出现的有效电平变化导致p c a 0 捕捉p c a 0 计数器定时器的值并将其装入到对应模块的1 6 位捕捉比较寄存器( p c a o c p l n 和p c a o c p h n ) 。p c a o c p m n 寄存器中的c a p p n 和c a p n n 位用于选择触发捕 捉的电平变化类型：低电平到高电平( 正沿) 、高电平到低电平( 负沿) 或任 何一种变化( 正沿或负沿) 。当捕捉发生时，p c a o c n 中的捕捉比较标志( c c f n ) 被置为逻辑l 并产生一个中断请求( 如果c c f 中断被允许) 。当c p u 转向中断 服务程序时，c c f n 位不能被硬件自动清除，必须用软件清0 。 3 2 数据的采集 3 2 1 数据的测量 数控肋骨冷弯机通过安装在机身不同位置的传感器来获取机器现在的加工 状态，信号包括动作是否到位，加工距离和角度等。所用的传感器有金属接近 开关和光电码盘。金属接近开关主要用于探测设备动作是否到位，当有金属靠 近开关时，传感器产生一个低电平的开关量，否则产生高电平开关量。光电码 盘是主要用于速度控制或者位置控制系统的检测元件，它的内部有一个中心有 轴的光电码盘，其上有环形通、暗刻线，通过光电发射和接收器件读取，获得a 、 b 两相电脉冲，由于a 、b 两相相差9 0 度，可以通过比较a 相在前还是b 相在 前，以辨别编码器正转与反转。图3 5 是一个采样的例子。 瑚 厂 厂 厂 啪厂 厂 厂 图3 5 光电码盘输出脉冲示意图 左边的a 、b 两路脉冲中，a 在上升沿时b 处于低电平，则判断码盘反转， 对于右边的a 、b 两路脉冲，a 在上升沿时b 处于高电平，则判断码盘正转。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 c 8 0 5 1 f 0 x x x 的p c a 捕获模块可以捕获光电码盘的脉冲信号，然后在捕获中 断处理程序中将当前信号与另一路信号的电平进行比较，可以获得码盘的转动 状态，进而进行计数测量。 在肋骨冷弯机系统中有多个光电码盘进行测量，对每路信号采用一片单片 机进行测量，然后通过s p i 串行外设总线将各路数据汇集到主处理器中。硬件连 接示意图如图3 6 所示： 3 2 2 数据的收集 图3 6s p i 总线多路数据采集示意图 时目 b 相 a 相 啪 时且 b 相 每一路的数据被一块独立的单片机采集，这样可以大大提高采集的速度。 当数据板卡主处理器决定将所有的数据发送到上位机时，它使用s p i 总线协议， 依此将s p i 从器件读取各路数据，然后根据一定的格式将数据封装在一起。 3 3 数据的传输 3 3 1 传输的媒介 在工业控制领域，用于设备间通信的协议有很多中，像最简单的 r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口通信协议，c a n 总线协议，还有u s b ，i e e e l 3 9 4 ，e p p ( 增 强型并行接口) 等。不同的协议它们的