摘要：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(shè)備是個不小的挑戰(zhàn)，這里面主要的是大型印染聯(lián)合機中多電機的同步控制問題。

　　關(guān)鍵詞：RFID   傳感器 張力傳感器 控制器 單元控制器

　　在印染設(shè)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(chǎn)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(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(shè)計。這種設(shè)計在提高系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低了成本同時實現(xiàn)了與現(xiàn)有印染設(shè)備的對接問題。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(luò)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(shè)計框圖如圖1所示。

　　圖1　系統(tǒng)設(shè)計框圖

　　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(diào)節(jié)輸出電壓從而調(diào)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(shè)計

　　在設(shè)計中我采用的是基于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(nèi)置高達256KB的FLASH存儲器和48KB的SRAM。

　　圖2　單元控制器主要部分設(shè)計

　　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)，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(diào)節(jié)的濾波器。

　　1．4 CAN總線接口設(shè)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(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(shè)計如圖3所示。

　　圖3　CAN總線接口的具體設(shè)計

　　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，工作中的時時同步調(diào)節(jié)以及對故障的處理。

　　(1)在系統(tǒng)工作前，因為印染設(shè)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(diào)節(jié)各個部分的運轉(zhuǎn)同步系數(shù)Li使其沒有負載時線速度一樣。在這里一般設(shè)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(diào)節(jié)個從動電機單元的運轉(zhuǎn)速度與主動單元的線速度一致。這個系數(shù)Li設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置的上升時間間隔運轉(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)合機的實際工作中，當當電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的輸出電壓；Li為系統(tǒng)啟動前設(shè)置的運轉(zhuǎn)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。

　　圖4　張力傳感器示意圖

　　張力傳感器反饋調(diào)節(jié)同步的基本原理：在正常狀態(tài)，傳感器的觸點停在中間狀態(tài)，這是傳感器的輸出電壓為零，當電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)過程中，不能保證系統(tǒng)會毫無故障的運行，根據(jù)以往的印染聯(lián)合機的生產(chǎn)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(shè)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(diào)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(shè)計

　　軟件設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)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(diào)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(diào)是難點。

　　3．1 CAN總線通信模塊設(shè)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(shè)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(shè)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(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(diào)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(shè)置各個電機的工作狀態(tài)。

　　4 結(jié)語

　　從系統(tǒng)的原理設(shè)計可以看出，這種印染聯(lián)合機設(shè)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反饋調(diào)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(shè)計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(shè)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(luò)的結(jié)合，并且硬件設(shè)計簡單，抗干擾能力強，軟件模塊化設(shè)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。

參考文獻:

[1]. SN65HVD230 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SN65HVD230_690485.html.
[2]. 6N137 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/6N137_91364.html.