基於ARM-Wince的四輥卷板機控制系統的製作方法
2023-12-09 22:20:36
專利名稱：基於ARM-Wince的四輥卷板機控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及四棍卷板機(four-roll plate bending machine),具體涉及一種基於ARM和WinCE的集成了數控系統、觸控螢幕、鍵盤、SqlCE資料庫、網絡接口、RS232/RS485/SSI通訊功能的嵌入式四輥卷板機控制系統。
背景技術：
目前國內四棍卷板機大多是採用可編程邏輯控制系統PLC (Programmable LogicController)控制，採用觸控螢幕來實現人機互動。嵌入式控制系統與PLC相比，具有運算處理能力強、與PC通訊方便、成本低(相對相同性能指標的PLC)、可針對應用優化設計、用戶使用方便、易於產品化等優點。
嵌入式系統(Embedded System)是以應用為中心,計算機技術為基礎,軟體硬體可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。其是面向用戶、面向產品、面向應用的基於先進的計算機技術、半導體技術、電子技術的一門技術。嵌入式系統廣泛應用於工業過程控制、數控工具機、電力系統、石油化工等工業領域。嵌入式作業系統(Embedded Operating System)是一種支持嵌入式系統應用的系統軟體，是嵌入式系統的重要組成部分。其具有通用作業系統的基本特點，能夠有效管理複雜的系統資源，完成進程管理、處理器調度、存儲管理、中斷處理等操作。它通常包括與硬體相關的底層軟體驅動、系統內核、設備驅動接口、通訊協議、圖形界面等軟體模塊。人機界面HMI (Human Machine Interface又稱用戶界面)，是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，可連接伺服驅動器、變頻器、直流調速器、儀表等工業控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元(如觸控螢幕、鍵盤、滑鼠等)寫入工作參數或輸入操作命令，實現人與機器信息交互的數字設備。四輥卷板機通常採用編碼器來採集每個輥的位置信息。絕對值編碼器測量與中間過程無關、抗幹擾能力強，工業系統中廣泛用於角度，長度和定位控制。SSI協議(Synchronous Serial interface)是應用於絕對式編碼器通訊的一種同步串行協議，該協議通過二個信號(CLOCK和DATA)的串行方式來按位傳輸數據。
發明內容
為實現上述技術目的，本發明採用如下技術方案，一種基於ARM和WinCE的集成了數控系統、觸控螢幕、鍵盤、SqlCE資料庫、網絡接口、RS232/RS485/SSI通訊功能的嵌入式四輥卷板機控制系統。
硬體方面
顯示觸控螢幕單元，以VC++控制項布置界面，與輸入單元共同構成人機界面HMI，向用戶提供對設備的監控操作；
處理器單元，由飛凌公司的0K6410核心板配合自己開發的底板，運行WinCE作業系統，並在WinCE操作下面開發四輥卷板機數控程序。存儲單元，用於提供系統運行所需的存儲空間，並向用戶提供保存數據及用戶程序的空間；
通訊單元，用於在處理器單元與各類設備傳遞數據，並用於下載用戶程序，包括RS232、RS485、RJ45網口、USB接口及SSI接口，以連接各類外部設備。
輸出單兀，用於控制各類外部設備，輸出單兀包括I/O輸出，DA輸出。
軟體方面 OAL適配層，移植飛凌0K6410的BSP的基礎上，針對本控制系統控制需求自行編寫AD、DA、SSI、PWM, GPIO 的流驅動。
作業系統層，自行定製適合本控制系統的最簡WinCE內核文件。
數控程序，自行開發基於WinCE作業系統與本硬體平臺的四輥卷板機數控系統。為進一步實現上述技術目的，硬體方面，處理器單元採用飛凌公司的0K6410核心板，核心板採用三星S3C6410處理器，128MB Mobile DDR內存，IGB Nand Flash快閃記憶體；自行開發底板，底板包含有復位模塊、乙太網模塊、SD模塊、觸控螢幕模塊、AD模塊、DA模塊、I/O模塊、SSI模塊、USB模塊、RS485模塊、RS232模塊。軟體方面，以WinCE作為作業系統，VC++編寫數控應用程式，SqlCE作為資料庫。為進一步實現上述技術目的，所述輸入單元為兩部分，包括16路光耦輸入轉換電路及2路AD輸入電路，所述輸出單元為兩部分，包括16路光耦繼電器輸出轉換電路、一路PWM輸出電路和5路DA輸出電路。外部輸入的開關量經過光電隔離後連接到ARM的輸入口，通過CPU處理後由光耦隔離輸出。在本發明中，觸控螢幕和用戶程序顯示界面，向用戶提供對設備的監控和操作。RS232/485主要用於連接各種工業設備，如伺服驅動器等；SSI模塊用於絕對值編碼器的接收。S3C6410處理器的USB Host可以連接鍵盤、滑鼠、U盤等其他USB設備。USB client主要用於WinCE系統與PC機之間的數據傳輸，即數據和程序的上傳下載。RJ45接口可以連接乙太網，也可用於網絡通訊。SD卡擴展接口用於外接SD以傳輸資料庫數據等。本發明的有益效果是，相比使用的PLC加觸控螢幕加組態軟體的開發的卷板機控制系統，本發明的功能和效率有極大的優勢，且易於產品化批量生產。系統以裁剪的WinCE作為作業系統，穩定性高。工作於主頻533MHz/667MHz的S3C6410處理晶片，配合WinCE的搶佔式實時操作體系，本發明實時性能滿足工業環境絕大多數要求。使用VC++編寫數控程序，其開發較其他程式語言來說較為便捷，以面向嵌入式SqlCE為資料庫，加上擁有豐富的外設USB Host,USB clientUOOM乙太網、串口、SD卡接口等，使得本發明有良好的可擴展性。此外本方案的輸入輸出接口硬體設計加入大量的保護電路，使其抗幹擾能力進一步加強。因此採用這種嵌入式四輥卷板機控制系統在滿足用戶使用需求的同時給用戶預留了廣闊的應用空間。在擁有良好的性能的情況下，其價格相比傳統控制系統開發所使用的PLC加觸控螢幕加組態軟體的開發方式擁有更大的競爭力。
圖I是本發明的結構模塊圖。圖2是本發明優選實施例的結構模塊圖。圖3是本發明優選實施例的軟體結構圖。
圖4是本發明優選實施例的工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步詳細說明。對照附圖I及附圖2，本發明為一種基於ARM和WinCE的集成了數控系統、觸控螢幕、鍵盤、SqlCE資料庫、網絡接口、RS232/RS485/SSI通訊功能的嵌入式四輥卷板機控制系統，硬體包括處理器單元、顯示觸控螢幕單元、輸入單元、輸出單元、存儲單元、通訊單元，軟體包括WinCE作業系統、卷板機數控程序、SqlCE資料庫、通訊等。如圖所示普通I/O 口用來控制卷板機的電磁換向閥，SSI接口用來接收編碼器反饋的輥子位移數據，AD/DA接口用來連接比例閥放大板以此控制比例伺服閥，串口用來連接伺服電機控制系統以此控制伺服電機。對照附圖3，軟體結構主要包括系統程序和應用程式。系統程序包括Wince操作 系統和驅動程序。前者完成進程管理、處理器調度、存儲管理、設備管理、中斷操作等系統任務；後者為為用戶實現底層硬體設備的驅動功能。本發明選用WinCE6. 0版本作為作業系統，整個映像文件僅有23MB。應用程式中包含有各種處理模塊，數字量I/O 口的操作模塊輔助以外部中間繼電器用來控制四輥卷板機液壓系統中電磁閥的通斷，從而實現卷板機工作輥的運動；PID控制算法模塊用來控制輥子兩側液壓缸的同步；SSI數據處理模塊用以接受編碼器的數據，該數據是反應的是當前被測輥的位置信息，該模塊的處理精度直接影響到加工精度；AD/DA處理模塊用來根據SSI接收的數據分析處理用於控制比例伺服閥(該模塊為可選模塊)；參數處理模塊，用來保存、讀取資料庫中工具機參數、材料參數、卷制工藝參數等參數信息的處理；卷制工藝模塊用來根據用戶輸入的卷制參數，通過內部算法將卷制過程分解成若干工序，並生成出卷制工序表供自動加工使用；工藝流程處理模塊是數控程序自動運行時的主程序,用來配合調其他模塊,實現卷制自動化。對照附圖4，這是一個自動化卷制軟體流程圖，首先用戶通過觸控螢幕設置材料參數，並設置各類卷制參數，接著可以通過內置算法自動生成卷制工藝流程參數(卷制工序表)，然後用戶選擇下載到當前，並啟動自動加工，數控程序會自行按照用戶的輸入完成卷制。自動卷制過程中,通過主程序按工序號逐步執行工序,通過SSI接口模塊接收工作輥編碼器的數據，並處理分解成工作輥位移，再通過PID同步算法控制輥子兩側液壓缸同步運動，通過串口與伺服電機驅動器通訊來控制伺服電機，伺服電機驅動Z軸(主旋轉輥)轉動。本發明所提供的一種基於ARM和WinCE的四輥卷板機控制系統的設計方案，與其他現有技術相互比較時，更具備下列優點
1.本發明採用的嵌入式技術，從硬體與軟體的角度實現了對四輥卷板機的控制。控制系統CPU處理速度快，控制系統是搶佔式的實時系統，實時性較強，完全符合卷板機的控制需求，同時採用了絕對式的編碼器接收反饋數據，位置數據更加可靠，從而提升了加工精度。基於本硬體平臺的卷板機控制系統開發語言豐富，c++，c#，. net皆可，軟體開發方便且便於優化，可針對不同的卷板機開發通用系統。
2.本發明通過簡單的硬體架構及軟體設計，在低硬體成本的效益概念下，即可大幅提升系統的執行反應效能。以上對本發明的描述為本發明的一個實施例，是說明性的，而非限制性的，本專業技術人員理解，在權利要求限定的精神與範圍之內可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都應視為落入本發明的保 護範圍之內受到制約。
權利要求
1.一種基於ARM和WinCE的集成了數控系統、觸控螢幕、鍵盤、SqlCE資料庫、網絡接口、RS232/RS485/SSI通訊功能的嵌入式四輥卷板機控制系統，硬體包括處理器單元、顯示觸控螢幕單元、輸入單元、輸出單元、存儲單元、通訊單元，軟體包括WinCE作業系統、卷板機數控程序、SqlCE資料庫、通訊等。
2.硬體方面 顯示觸控螢幕單元，以VC++控制項布置界面，與輸入單元共同構成人機界面HMI，向用戶提供對設備的監控操作； 處理器單元，由飛凌公司的0K6410核心板配合自己開發的底板，運行WinCE作業系統，並在WinCE操作下面開發四輥卷板機數控程序。
存儲單元，用於提供系統運行所需的存儲空間，並向用戶提供保存數據及用戶程序的空間； 通訊單元，用於在處理器單元與各類設備傳遞數據，並用於下載用戶程序，包括RS232、RS485、RJ45網口、USB接口及SSI接口，以連接各類外部設備。
輸出單兀，用於控制各類外部設備，輸出單兀包括I/O輸出，DA輸出。
軟體方面 OAL適配層，移植飛凌0K6410的BSP的基礎上，針對本控制系統控制需求自行編寫AD，DA, SSI，GPIO的流驅動。
作業系統層，自行定製適合本控制系統的最簡WinCE內核文件。
數控程序，自行開發基於WinCE作業系統平臺與本硬體平臺的四輥卷板機數控系統。
3.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於，硬體方面，處理器單元採用飛凌公司的0K6410核心板，核心板採用三星S3C6410處理器，128MB Mobile DDR內存，IGBNandFlash快閃記憶體；自行開發底板，底板包含有復位模塊、乙太網模塊、SD模塊、觸控螢幕模塊、AD模塊、DA模塊、I/O模塊、SSI模塊、USB模塊、RS485模塊、RS232模塊。軟體方面，以WinCE作為作業系統，VC++編寫數控應用程式，SqlCE作為資料庫。
4.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於，所述輸入單元為兩部分，包括16路光耦輸入轉換電路及2路AD輸入電路，所述輸出單元為兩部分，包括16路光耦繼電器輸出轉換電路、一路PWM輸出電路和5路DA輸出電路。外部輸入的開關量經過光電隔離後連接到ARM的輸入口，通過CPU處理後由光耦隔離輸出。
5.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於，數控應用程式中，通過用戶設定的材料參數，卷制參數，工具機參數，內部控制算法實現自動生成卷制工藝工序表，然後數控程序自動加工模塊按照工序號逐步完成自動卷制過程。
全文摘要
本發明涉及四輥卷板機(four-roll plate bending machine)，特別涉及本發明為一種基於ARM和WinCE的集成了數控系統、觸控螢幕、鍵盤、SqlCE資料庫、網絡接口、RS232/RS485/SSI通訊功能的嵌入式四輥卷板機控制系統，硬體包括處理器單元、顯示觸控螢幕單元、輸入單元、輸出單元、存儲單元、通訊單元，軟體包括WinCE作業系統、卷板機數控程序、SqlCE資料庫、通訊等。通訊單元包括RJ45網口、RS232/485，具有良好的可擴展性。採用的嵌入式技術，從硬體與軟體的角度實現了對四輥卷板機的控制。控制系統CPU處理速度快，控制系統是搶佔式的實時系統，實時性較強，完全符合卷板機的控制需求，同時採用了絕對式的編碼器接收反饋數據，位置數據更加可靠，從而提升了加工精度。基於本硬體平臺的卷板機控制系統開發語言豐富，C++，C#，.net皆可，軟體開發方便且便於優化，可針對不同的卷板機開發通用系統。
文檔編號G05B19/042GK102722126SQ20121024153
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者卓璐, 沈金龍, 高志朋 申請人:卓璐, 沈金龍, 高志朋