基于ARM和FPGA的全自动拉丝机控制系统设计

通信和汽车工业的快速发展促进了钢联线产业的迅猛发展。钢联线是通信电缆和轮胎的重要组成部分，其质量直接影响着通信的效果、轮胎的质量、品质和等级。拉丝机是钢联线的主要生产设备。针对当前主要采用PLC实现拉丝机控制系统的状况[1]，本文提出了基于ARM和FPGA的拉丝机控制系统，使用先进的控制器结构，技术含量高，稳定性好，向上层软件提供了良好的硬件接口，易于移植，并且成本低，可以替代PLC进行生产控制。

1 拉丝机系统结构和原理

1.1拉丝机工艺过程

拉丝机种类较多，对于不同要求、不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。尽管拉丝工艺不同，但其工作过程基本上可以划分成放线、拉丝、收线3部分工艺过程[2]。如图1为拉丝机工艺过程简图。

未拉的丝通过一个阻力装置（一般是一个夹板之类的东西，用来提供一定的张力，同时也起到了防止跳线的作用），进入细拉槽，即放线环节；进入细拉槽的丝在细拉塔轮和微拉塔轮的多次拉制后，成为所需要的丝，此时通过测速传感器测出速度信号为n1；被拉细后的丝经过滑差轮，该轮的作用主要是保持恒定张力；然后丝再经过测速轮，该轮的作用就是测出当前拉丝的线速度，通过测速传感器测出转速信号为n2；经过测速轮的丝再经过一个中间环节，然后通过摆丝杆，最后把丝绕到卷轴上，即收线环节[2-3]。

1.2 拉丝机控制器系统

系统的控制方案主要有以下4部分：

(1) 放丝伺服的恒线速度控制

要求放丝电机能够最大程度地抗干扰，能够尽量在一个稳定的速度下运行，同时还要具备平滑的加减速功能。因为系统在启动开始时，要以一个比较低的速度来运行,然后操作人员在HMI上通过总线把电机手动加速到合适的速度才开始拉丝，同时在停机时也要求电机能够平滑地把速度降下来[4]。

(2) 调节伺服的跟随控制

调节伺服驱动器直径接收拉丝伺服电机高速脉冲的信号，按一定的电子齿轮比跟随放线速度，以保证出丝的线速度，同时与卷绕伺服做到了很好的协调，保证系统张力控制的稳定性[4]。

(3) 卷绕伺服的恒张力控制

要求卷绕伺服在半径不断增大的情况下保持与调节伺服的线速度相等，以保证绕出来的线平滑、不塌边，提高线丝的成品质量。而要实现恒线速度控制，必须通过一个反馈回路来检测实际的绕线轮的线速度。先通过层数大致计算出绕线轮的半径，然后再得到大致的卷绕电机的转速，最后再加上PID误差计算结果，这样得到的线速度才比较精确，也就是线速度差最小[5]。

(4) 摆丝位置控制

摆丝的控制主要是保证绕制出来的线均匀地排列在线轴上。

2 硬件系统设计

拉丝机控制器硬件原理框图如图2所示。选用STMicroeletronics 公司ARM7TDMI 系列嵌入式处理器 STR712F作为控制器，能满足拉丝机张力调节过程对实时性、高速性和精确性，同时具有高性能低功耗的特点，片内资源丰富，具有极高的集成度，支持工业级应用。

考虑到拉丝机控制对象复杂，需要较多的输入输出口，本系统还在ARM芯片外扩展了1片FPGA芯片(选用Actel公司的A3P060)。

2.1 ARM主控制板设计

ARM主控制板是整个硬件系统的核心，包括ARM主芯片（STR712F）、SRAM、Flash、LCD接口、SPI接口(可选）、FPGA接口、串口、CAN接口、JTAG调试接口等[6]。

主控制板设计完成后，在此控制板上移植Linux操作系统，应用程序、驱动程序和操作系统存储于主控制板的Flash芯片；LCD接口用于扩展液晶显示器，该主控板可以支持128×64的液晶显示器；FPGA接口用于扩展FPGA协控制器板；JTAG接口和串口在调试时使用。

ARM主控板采用核心板和基板的结构，以节省成本。核心板包含STR712F处理器、SRAM、Flash芯片等，采用4层板布线；其他部分全部放置在基板，采用2层板布线。

ARM与FPGA的通信采用SPI总线协议——串行通信协议的方式实现。ARM与FPGA交换数据采用帧的形式进行，每帧包括数据位、地址位、FPGA触发位和命令解释位等，ARM通过发送相应的帧来控制FPGA的执行。故主控制板上的FPGA接口由IO口、中断线、地线和电源线等组成。

2.2 FPGA协处理器设计

FPGA协处理器的硬件电路主要包括电源、晶振、FPGA电路、驱动电路等部分。协处理器及外接电路框架结构如图3所示。

协处理器电路与ARM板通信，解析ARM发出的命令并执行，主要包括读传感器命令（位置信号、计数信号、光电信号、启动信号、运行信号、复位信号、停机信号等）、主电机控制命令、主风机控制命令、收线电机控制命令、收线风机控制命令、主变频器控制命令、收线变频器控制命令等，共计24路输入和16路输出。该部分是整个硬件控制电路的关键，起到桥梁的作用，前端面向主处理器，后端直接面向各机械驱动电路。

2.3 掉电数据保护电路模块

掉电数据保护电路由DS1302ZN接口电路、AT45DB021B接口电路、MAX706掉电检测电路和预警比较电路组成。

2.4 通信接口电路

全自动拉丝机系统是一种对速度控制要求高的机械设备，要求控制系统能够提供非常精确、平滑的线速度。整个系统比较复杂，控制设备繁多，各个电机之间要求很高的协调性。本系统采用4套伺服电机控制，而每套伺服电机间均有数据交换，且数据通信也要求很强的实时性，也就是要求系统具有总线通信能力。这样就要求伺服驱动器拥有非常强大的功能才能满足控制要求。

因此，在这里选择了自带CAN总线的ARM7，采用了标准的CANopen协议，能够传送和接收PDO、SDO，以满足系统对实时通信数据的要求。本系统的驱动器也集成了PROFIBUS接口，但是价格比较昂贵，采用CAN总线既满足了控制要求，又为客户节约了成本。

2.5 高速计数模块

系统扩展两路高速计数口，其中一路用来记录现场工作车速，以此计算出拉丝长度，另一路用来计算班产累计、拉丝总长、拉丝时间等工艺参数。这里采用高速光耦HCPL0611将该口扩展为高速计数口。控制器具有高速脉冲计数能力，能够采集高速脉冲信号，从而计算出进丝线速度，然后通过PDO传送给收卷伺服驱动器，该伺服驱动器根据此转速自动调节自身转速，从而达到控制线张力的目的。

2.6 人机界面模块

为了便于用户管理和操作，增加了一个拉丝机工艺参数显示设定模块，STR712F通过一路自带的UART串行口与该显示模块（触摸屏）进行通信。系统人机界面采用带有RS485通信口的Easy View系列触摸屏，通过RS485通信方式与中央控制单元连接。设置参数包括：拉丝直径、系统启动、停车、跳卷、线速度设定、收卷点动、断线保护有效、防护罩有效、报警、PID参数等。通过该模块可控制拉丝长度和时间，实现定长或定时收丝。利用该模块还可直接对CPU内的计时器、计数器、变量存储器等进行访问。在系统出现报警时，触摸屏上可及时显示系统的故障，方便用户及时排除，提高了对生产设备的管理和操作的效率。

2.7 电平转换模块

本系统内各个模块供电电压有24 V、5 V、3.3 V、1.5 V等，因此，设计了专门的电平转换电路，这里采用低功耗正向电压调节器D2405S/2 W，它有很低的静态电流，性能价格比高。

2.8 其他部分电路设计

除了以上讨论的几部分电路外，由于是变频器驱动机械工作，故设计了变频调速通信模块；同时考虑到现场恶劣的生产环境，采用了一系列抗干扰技术，如硬件上采用光电输入输出隔离、继电器线圈RC吸收等。为了保证数据和程序有足够的存放空间，通过I2C总线扩展了一个外部EEPROM。

3 软件设计

本系统程序采用模块化设计，以有利于系统升级和替代。主要模块有准备模块、系统初始化模块、张力控制模块、传感器信号采集模块、计算处理模块、故障及报警模块、通信模块、数据存储模块等，其中张力控制模块是本设备程序设计的关键而且是难点，它包括采样模块、计算处理模块、输出模块和调整模块。整个过程比较复杂，涉及到汇编程序、C语言程序、驱动程序、调试程序等。控制程序流程图如图4所示。

本系统采用CAN总线通信，增强了系统的抗干扰能力；伺服内部算法自动计算自身转速，系统响应及时，张力控制得当。本系统支持串口设备，便于人机交互，整个系统可移植性强，对国内拉丝机控制系统的发展具有一定推动作用。该系统带来了效率（拉丝速度）、质量（拉丝直径）的提高，同时也降低了系统综合成本。系统已成功应用于工业现场并能够长时间稳定运行，能自动检错，易于升级。运行结果表明，它的控制性能可以与PLC控制系统相媲美。