CN102722126A - 基于ARM-Wince的四辊卷板机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及四辊卷板机(four-roll plate bending machine)，特别涉及本发明为一种基于ARM和WinCE的集成了数控系统、触摸屏、键盘、SqlCE数据库、网络接口、RS232/RS485/SSI通讯功能的嵌入式四辊卷板机控制系统，硬件包括处理器单元、显示触摸屏单元、输入单元、输出单元、存储单元、通讯单元，软件包括WinCE操作系统、卷板机数控程序、SqlCE数据库、通讯等。通讯单元包括RJ45网口、RS232/485，具有良好的可扩展性。采用的嵌入式技术，从硬件与软件的角度实现了对四辊卷板机的控制。控制系统CPU处理速度快，控制系统是抢占式的实时系统，实时性较强，完全符合卷板机的控制需求，同时采用了绝对式的编码器接收反馈数据，位置数据更加可靠，从而提升了加工精度。基于本硬件平台的卷板机控制系统开发语言丰富，C++，C#，.net皆可，软件开发方便且便于优化，可针对不同的卷板机开发通用系统。

Description

基于ARM-Wince的四辊卷板机控制系统

技术领域

本发明涉及四辊卷板机(four-roll plate bending machine)，具体涉及一种基于ARM和WinCE的集成了数控系统、触摸屏、键盘、SqlCE数据库、网络接口、RS232/RS485/SSI通讯功能的嵌入式四辊卷板机控制系统。 

背景技术

目前国内四辊卷板机大多是采用可编程逻辑控制系统PLC(Programmable Logic Controller)控制，采用触摸屏来实现人机交互。嵌入式控制系统与PLC相比，具有运算处理能力强、与PC通讯方便、成本低(相对相同性能指标的PLC)、可针对应用优化设计、用户使用方便、易于产品化等优点。 

嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心，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。其是面向用户、面向产品、面向应用的基于先进的计算机技术、半导体技术、电子技术的一门技术。嵌入式系统广泛应用于工业过程控制、数控机床、电力系统、石油化工等工业领域。 

嵌入式操作系统(Embedded Operating System)是一种支持嵌入式系统应用的系统软件，是嵌入式系统的重要组成部分。其具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、存储管理、中断处理等操作。它通常包括与硬件相关的底层软件驱动、系统内核、设备驱动接口、通讯协议、图形界面等软件模块。 

人机界面HMI(Human Machine Interface又称用户界面)，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，可连接伺服驱动器、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元(如触摸屏、键盘、鼠标等)写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备。 

四辊卷板机通常采用编码器来采集每个辊的位置信息。绝对值编码器测量与中间过程无关、抗干扰能力强，工业系统中广泛用于角度，长度和定位控制。SSI协议(Synchronous Serial interface)是应用于绝对式编码器通讯的一种同步串行协议，该协议通过二个信号(CLOCK和DATA)的串行方式来按位传输数据。 

发明内容

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案，一种基于ARM和WinCE的集成了数控系统、触摸屏、键盘、SqlCE数据库、网络接口、RS232/RS485/SSI通讯功能的嵌入式四辊卷板机控制系统。 

硬件方面：

显示触摸屏单元，以VC++控件布置界面，与输入单元共同构成人机界面HMI，向用户提供对设备的监控操作；

处理器单元，由飞凌公司的OK6410核心板配合自己开发的底板，运行WinCE操作系统，并在WinCE操作下面开发四辊卷板机数控程序。

存储单元，用于提供系统运行所需的存储空间，并向用户提供保存数据及用户程序的空间；

通讯单元，用于在处理器单元与各类设备传递数据，并用于下载用户程序，包括RS232、RS485、RJ45网口、USB接口及SSI接口，以连接各类外部设备。

输出单元，用于控制各类外部设备，输出单元包括I/O输出，DA输出。

软件方面：

OAL适配层，移植飞凌OK6410的BSP的基础上，针对本控制系统控制需求自行编写AD、DA、SSI、PWM、GPIO的流驱动。

操作系统层，自行定制适合本控制系统的最简WinCE内核文件。

数控程序，自行开发基于WinCE操作系统与本硬件平台的四辊卷板机数控系统。

为进一步实现上述技术目的，硬件方面，处理器单元采用飞凌公司的OK6410核心板，核心板采用三星S3C6410处理器，128MB Mobile DDR内存，1GB Nand Flash闪存；自行开发底板，底板包含有复位模块、以太网模块、SD模块、触摸屏模块、AD模块、DA模块、I/O模块、SSI模块、USB模块、RS485模块、RS232模块。软件方面，以WinCE作为操作系统，VC++编写数控应用程序，SqlCE作为数据库。 

为进一步实现上述技术目的，所述输入单元为两部分，包括16路光耦输入转换电路及2路AD输入电路，所述输出单元为两部分，包括16路光耦继电器输出转换电路、一路PWM输出电路和5路DA输出电路。外部输入的开关量经过光电隔离后连接到ARM的输入口，通过CPU处理后由光耦隔离输出。

在本发明中，触摸屏和用户程序显示界面，向用户提供对设备的监控和操作。 RS232/485主要用于连接各种工业设备，如伺服驱动器等；SSI模块用于绝对值编码器的接收。S3C6410处理器的USB Host可以连接键盘、鼠标、U盘等其他USB设备。USB client主要用于WinCE系统与PC机之间的数据传输，即数据和程序的上传下载。RJ45接口可以连接以太网，也可用于网络通讯。SD卡扩展接口用于外接SD以传输数据库数据等。 

本发明的有益效果是，相比使用的PLC加触摸屏加组态软件的开发的卷板机控制系统，本发明的功能和效率有极大的优势，且易于产品化批量生产。系统以裁剪的WinCE作为操作系统，稳定性高。工作于主频533MHz/667MHz的S3C6410处理芯片，配合WinCE的抢占式实时操作体系，本发明实时性能满足工业环境绝大多数要求。使用VC++编写数控程序，其开发较其他编程语言来说较为便捷，以面向嵌入式SqlCE为数据库，加上拥有丰富的外设：USB Host、USB client、100M以太网、串口、SD卡接口等，使得本发明有良好的可扩展性。此外本方案的输入输出接口硬件设计加入大量的保护电路，使其抗干扰能力进一步加强。因此采用这种嵌入式四辊卷板机控制系统在满足用户使用需求的同时给用户预留了广阔的应用空间。在拥有良好的性能的情况下，其价格相比传统控制系统开发所使用的PLC加触摸屏加组态软件的开发方式拥有更大的竞争力。 

附图说明

图1是本发明的结构模块图。 

图2是本发明优选实施例的结构模块图。 

图3是本发明优选实施例的软件结构图。 

图4是本发明优选实施例的工作流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。 

对照附图1及附图2，本发明为一种基于ARM和WinCE的集成了数控系统、触摸屏、键盘、SqlCE数据库、网络接口、RS232/RS485/SSI通讯功能的嵌入式四辊卷板机控制系统，硬件包括处理器单元、显示触摸屏单元、输入单元、输出单元、存储单元、通讯单元，软件包括WinCE操作系统、卷板机数控程序、SqlCE数据库、通讯等。如图所示普通I/O口用来控制卷板机的电磁换向阀，SSI接口用来接收编码器反馈的辊子位移数据，AD/DA接口用来连接比例阀放大板以此控制比例伺服阀，串口用来连接伺服电机控制 系统以此控制伺服电机。 

对照附图3，软件结构主要包括系统程序和应用程序。系统程序包括Wince操作系统和驱动程序。前者完成进程管理、处理器调度、存储管理、设备管理、中断操作等系统任务；后者为为用户实现底层硬件设备的驱动功能。本发明选用WinCE6.0版本作为操作系统，整个映像文件仅有23MB。应用程序中包含有各种处理模块，数字量I/O口的操作模块辅助以外部中间继电器用来控制四辊卷板机液压系统中电磁阀的通断，从而实现卷板机工作辊的运动；PID控制算法模块用来控制辊子两侧液压缸的同步；SSI数据处理模块用以接受编码器的数据，该数据是反应的是当前被测辊的位置信息，该模块的处理精度直接影响到加工精度；AD/DA处理模块用来根据SSI接收的数据分析处理用于控制比例伺服阀(该模块为可选模块)；参数处理模块，用来保存、读取数据库中机床参数、材料参数、卷制工艺参数等参数信息的处理；卷制工艺模块用来根据用户输入的卷制参数，通过内部算法将卷制过程分解成若干工序，并生成出卷制工序表供自动加工使用；工艺流程处理模块是数控程序自动运行时的主程序，用来配合调其他模块，实现卷制自动化。 

对照附图4，这是一个自动化卷制软件流程图，首先用户通过触摸屏设置材料参数，并设置各类卷制参数，接着可以通过内置算法自动生成卷制工艺流程参数(卷制工序表)，然后用户选择下载到当前，并启动自动加工，数控程序会自行按照用户的输入完成卷制。自动卷制过程中，通过主程序按工序号逐步执行工序，通过SSI接口模块接收工作辊编码器的数据，并处理分解成工作辊位移，再通过PID同步算法控制辊子两侧液压缸同步运动，通过串口与伺服电机驱动器通讯来控制伺服电机，伺服电机驱动Z轴(主旋转辊)转动。 

本发明所提供的一种基于ARM和WinCE的四辊卷板机控制系统的设计方案，与其他现有技术相互比较时，更具备下列优点： 

1.本发明采用的嵌入式技术，从硬件与软件的角度实现了对四辊卷板机的控制。控制系统CPU处理速度快，控制系统是抢占式的实时系统，实时性较强，完全符合卷板机的控制需求，同时采用了绝对式的编码器接收反馈数据，位置数据更加可靠，从而提升了加工精度。基于本硬件平台的卷板机控制系统开发语言丰富，C++，C#，.net皆可，软件开发方便且便于优化，可针对不同的卷板机开发通用系统。 

2.本发明通过简单的硬件架构及软件设计，在低硬件成本的效益概念下，即可大幅提升系统的执行反应效能。

以上对本发明的描述为本发明的一个实施例，是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都应视为落入本发明的保护范围之内受到制约。 

Claims (5)

1.一种基于ARM和WinCE的集成了数控系统、触摸屏、键盘、SqlCE数据库、网络接口、RS232/RS485/SSI通讯功能的嵌入式四辊卷板机控制系统，硬件包括处理器单元、显示触摸屏单元、输入单元、输出单元、存储单元、通讯单元，软件包括WinCE操作系统、卷板机数控程序、SqlCE数据库、通讯等。

2.硬件方面：

显示触摸屏单元，以VC++控件布置界面，与输入单元共同构成人机界面HMI，向用户提供对设备的监控操作；

处理器单元，由飞凌公司的OK6410核心板配合自己开发的底板，运行WinCE操作系统，并在WinCE操作下面开发四辊卷板机数控程序。

存储单元，用于提供系统运行所需的存储空间，并向用户提供保存数据及用户程序的空间；

通讯单元，用于在处理器单元与各类设备传递数据，并用于下载用户程序，包括RS232、RS485、RJ45网口、USB接口及SSI接口，以连接各类外部设备。

输出单元，用于控制各类外部设备，输出单元包括I/O输出，DA输出。

软件方面：

OAL适配层，移植飞凌OK6410的BSP的基础上，针对本控制系统控制需求自行编写AD，DA，SSI，GPIO的流驱动。

操作系统层，自行定制适合本控制系统的最简WinCE内核文件。

数控程序，自行开发基于WinCE操作系统平台与本硬件平台的四辊卷板机数控系统。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，硬件方面，处理器单元采用飞凌公司的OK6410核心板，核心板采用三星S3C6410处理器，128MB Mobile DDR内存，1GBNand Flash闪存；自行开发底板，底板包含有复位模块、以太网模块、SD模块、触摸屏模块、AD模块、DA模块、I/O模块、SSI模块、USB模块、RS485模块、RS232模块。软件方面，以WinCE作为操作系统，VC++编写数控应用程序，SqlCE作为数据库。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述输入单元为两部分，包括16路光耦输入转换电路及2路AD输入电路，所述输出单元为两部分，包括16路光耦继电器输出转换电路、一路PWM输出电路和5路DA输出电路。外部输入的开关量经过光电隔离后连接到ARM的输入口，通过CPU处理后由光耦隔离输出。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，数控应用程序中，通过用户设定的材料参数，卷制参数，机床参数，内部控制算法实现自动生成卷制工艺工序表，然后数控程序自动加工模块按照工序号逐步完成自动卷制过程。

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