ARM嵌入式控制器在印染设备监控中的应用
摘 要：针对拉幅热定型机，设计一种基于485总线的分布式监控系统。用ARM 嵌入式控制器实现主、从电机的同步运行和烘房温度的控制；在PC机上用VB6．0设计转速和温度的监控画面；实现ARM、变频器和PC机之间的数据通信。结果表明，该系统实现简单，通信可靠，移植性强，在印染设备监控中具有很强的推广性。
关键词：嵌入式；RS一485；印染设备；uClinux；监控
（Zhongyuan Institute of Technology，Dep．Automation，Zhengzhou 450007，China）
Abstract：For tentering and thermo—fixing machine，a distributed monitoring system based on the 485 bus is designed．Weachieve the control of the master and slaver AC motor synchronization and temperature of the drying oven by the ARM embeddedcontroller．We also design the monitoring picture of the speed and temperature on the host PC with VB6．0 and achieve the datacommunication of ARM controller and inverter with PC．The results shoW that the system is simple and communication is reliable，and it can easily transplant and strongly expand to monitoring systems of printing equipment．
Key words：embedded；RS一485；printing equipment；uClinux ；monitoring
1 引 言
随着工业自动化进程的推进和企业信息化程度的提高，利用远端智能模块和RS一485网络构建监控工作分散、监控结果集中的分布式监控系统，由于投资费用低、结构简单、实现容易、通信距离长、抗噪声等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。而微电子技术和自动控制技术的发展。以及计算机技术迅速向非计算机领域的渗透，特别是32位微处理器ARM 在国内外的广泛应用，使数字化、网络化和智能化控制，成为新一代印染控制设备的主要发展方向。
我们针对拉幅热定型机主、从电机的同步运行和烘房温度控制系统进行监控，实现了微机（PC机）与MICROMASTER 440变频器的设站通讯，配合汉化下拉式菜单和画面显示，以及必要的操作提示，可完成对变频器参数的设定、运行参数的监测、运行数据和故障数据的采集。嵌入式控制器ARM除控制拉幅热定型机主、从电机的同步和烘房的温度外，还通过RS一485网络，将主、从电机的转速和烘房温度数据，传送给上位机画面实时显示。
2 系统的总体设计
图1为系统的总体框图。
ARM控制器通过两路光电脉冲发生器PG1和PG2，同时采集拉幅热定型机的主、从电机M1和M2的转速，经计算后求出两电机的转速偏差，再经过智能算法，输出控制量，调整从动机的转速，使之跟随主动机。由于是变频器驱动，控制量要转换为频率的变化量。ARM 控制器按确定的数据结构，把控制量送给PC机，PC机通过485接口与变频器通讯，调节变频器2输出频率，从而控制从动机M2的转速，使之与主电机同步运行。
ARM控制器还通过温度检测控制电路，采集烘房温度，经过适合的算法，对烘房温度进行控制。这里重点介绍PC机与变频器和嵌入式控制器的RS一485接口设计。整个系统采用RS一485总线标准进行数据传输。PC机采用研华的MOX—A CP一132UL卡，它是专为工业通讯环境设计的RS一422／485二串口卡，它支持2个独立的RS一422或RS一485串口，在一对多点应用环境中，每个串口最多可控制32个设备。每块卡采用自动数据流向控制ADDC（Automatic Data Direction Con—tro1）功能，无需额外的编程，即可轻松管理RS一485半双工通讯串口数据的传送和接收。变频器采用西门子的MM440，它有统一开放的USS通信协议，可方便的与PC机进行通信，并可以在运行中改变变频器的运行参数。
系统运行前，首先在PC机上设定变频器的内部参数，电机的转速和温度的额定值；同时开启控制器ARM，进行数据采集和运算控制。通过485总线，PC机可对主传动系统的主、从电机同步和烘房温度的控制进行实时监测。图1仅针对拉幅热定型机的同步系统，所以只用了一个ARM控制器，如果需要扩展到多单元的同步控制，增加被监控的单元和控制量，可利用485接口，方便地接人多个ARM控制器。
3 上位机和变频器
PC机与变频器的通信采用USS协议。该协议由SIEMENS AG定义，主要以RS一485总线方式将多台西门子公司生产的变频器、直流调速器或PLC等终端设备与工业控制计算机相连，实现远程监控。USS协议是开放的，所以为用户开发自己的基于该协议的软件产品提供了可行性。这样不仅有利于降低开发成本，而且能充分满足特定项目的需要，方便日常的工控网络维护。
USS协议支持多点联接，支持主一从存取方式，用于单主站系统，最多可链接32个站。USS协议支持可变和固定报文长度，报文格式简单，通信字符格式为：1位起始位、1位停止位、1位校验位、8位数据位，波特率最高可达18715Kbps。
图2为变频器MM440的通信报文结构，对报文的具体字符含义不做过多解释，详见文献[1]，强调一点MM440支持BiCo（二进制互联连接）技术，用户可更方便的对它进行参数的控制。
在变频器与PC机进行485通信前，对于MM440的参数设置至关重要。首先将所有参数复位到出厂设置：
P0010（调试参数过滤器）：30
表示为工厂的设定值；
P970（工厂复位）=1
表示所有参数都复位到它们的缺省值；
设置参数：P0700（选择命令源）=5，
表示C0M 链路的USS设置；
PIO00（频率设定值的选择）=5，
表示可通过USS对变频器进行控制；
P2010（USS波特率）=6，
表示通信波特率选9600；
P2011（USS地址号）等于1，
表示变频器1的地址为1；
P2009（USS规格化）等于1，
表示数值是以绝对十进制数的形式发送[即4000（十进制）（=0FA0hex）等于40．00Hz]；
P2012（USS协议的PZD（过程数据）长度）：2，
表示PZD传输的是控制字和设定值，共2个；
P1013（USS协议的PKW 长度）=4，
表示用4个字节读写各个参数的数值；
P2014（USS的停止传输时间（ms））=X，
表示允许用户设定一个时间X，在经过这个时间以后，如果USS通道接收不到报文，就将产生故障信号F07O。
上位机和变频器通信采用VB6．0编程[2]，程序编制上采用事件驱动的通信方式。串口每接收16个字符便激活一个OnComm（）事件，在On—Comm（）消息处理函数中，加入相应的处理代码，实现对变频器参数的在线修改[3]。
4 上位机和ARM
嵌入式控制器采用三星公司的32位微处理器S3C44B0，芯片的内核是16／32位ARM7TDMI精简指令结构处理器，是一种低功耗，通用微处理器内核，特别适合于对价格比较敏感产品的设计[4]。S3C44B0芯片除了微处理器内核外，在芯片中还集成了许多外围设备，如8通道10位ADC，1个I2C— BUS控制器，LCD控制器，2通道UART。最重要的是它可以移植操作系统uClinux进行管理。uClinux是一个优秀的嵌入式操作系统，它很适合那些没有MMU（Memory Management Unit）的处理器。没有MMU 的处理器在嵌入式领域中应用相当普遍。针对uClinux内核的二进制代码和源代码都经过重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使uClinux和标准Linux 2．0内核相比非常小，但它仍然保持了Linux操作系统主要优点。
本系统中，我们用带uClinux操作系统的S3C44BOX控制器，用它自带的一路10位ADC，方便的对拉幅热定型机的烘房温度进行较高精度的数据采集；通过I2C总线和外围计数芯片实现两路电机转速的采集。一个UART用作485总线接口，与PC机通信；一个LCD控制器直接接3．5寸的STN液晶器，方便观察。由于uClinux本身已经做好网络的移植，本系统采用网络芯片RTL8019AS把嵌入式接入以太网，用户可以通过浏览器访问该控制系统的运行数据，实现对系统的远程监控[5]。
在拉幅热定型机中，作为主传动，带动布铗的主、从电机的线速度同步，是保证加工质量的关键，控制算法通常在PC机中完成，由于本系统采用32位微处理器，所以完全可以在作为下位机的ARM控制器中完成。PC机仅用于监测和变频器通信，大大减轻了负担。而且S3C44B0具有很好的移植性，可以作为模块方便的挂在485总线上。嵌入式控制器S3C44B0和PC机之间，我们定义了下面的收发协议，如图3所示。其中命令包括复位命令和发送命令，若接收方在约定时间内未收到发送命令帧，则发送复位帧，双方回到通信程序的开始，清空缓冲区，然后重新同步，具体流程如图4所示。
以下为ARM控制器发送数据的主程序流程：
while（1）｛ //主循环
if（recv_cmd（&type）==0）//CRC校验发生帧错误
continue；
switch（type）｛
case_ADDR： //是本机地址
send_ack（_OK，0，dbuf）；//发送应答信息
break；
case_GETDATA_： //是发送命令帧
len= strlen（dbuf）；
send_data（_DATA，len，dbuf）；//发送采集数据信息
case_RESET： //是复位帧
break；
default：
break；//偷令类型错误，丢弃当前帧后返回
｝
｝
5 实验结果
PC机采用VB6．0做上位机监控画面，使用其Activex控件一MSComm，方便地实现了和多台变频器及嵌入式控制器的通信。为了使软件更友好，采用了多文档（MDI）Windows界面，支持下拉菜单，弹出式窗口，最大限度地方便了用户的操作。软件主要由以下几大模块组成，即：用户登陆模块，实时监控模块、参数设定模块，历史数据查询模块和文件管理模块。图5为实时监控模块，它的三块仪表可以显示两台主、从电机的转速和烘房的温度，当温度超过或低于设定值时，烘房温度报警指示灯会点亮红色，并发出报警声。同样，当主、从电机转速之差超过规定偏差的2％时，相应的报警指示灯也会点亮红色，并发出报警声。中间17个指示灯组成光柱，可以直观地显示主、从电机转速的正负偏差。当偏差为零时，中间的绿灯亮；有偏差时，两边的黄灯亮，偏差量越大，黄灯亮得越多，光柱越长；偏差超限时，位于光柱左、右两端的红灯亮，表示主、从电机的转速失去同步，发出报警停车信号，这种设计使人机界面更加友好。
6 结束语
在本系统中，ARM控制器实现了对拉幅热定型机主、从电机的同步控制和烘房温度的实时控制，PC机实现了对电机转速和温度的监控。对于像这样具有多控制任务的系统，选用ARM嵌入式控制器，显示了它在控制和通信上的优越性。虽然本系统是针对拉幅热定型机设计的，但是由于485总线的节点可以扩展到32个，变频器和控制器均可进一步扩展。而且低成本，低功耗，高性能的ARM控制器是在uClinux环境下开发的，其本身的移植性强，加上PC机配置页面的灵活性，更适合移植到其他印染设备的控制系统中，在其它工业现场的自动监控中也具有很强的推广价值。
参考文献
[1] MIcROMAsTER 440通用型变频器使用大全[S]．
[2] 范逸之，陈立元．Visual Basic与RS一232串行通信控制（最新版）[M]．北京：清华大学出版社，2002．
[3] 陈立定．Windows98下单台PC与多台变频器的串行通信控制[J]．微计算机信息，2001，（2）．
[4] 李岩，荣盘详．基于S3CA4BOX嵌入式uClinux系统原理及应用[M]．北京：清华出版社，2005．
[5] 李文蒙，范玉璋，陈晓雷．印染设备嵌入式同步控制远程监控的设计[J]．中原工学院学报，2006，（1）．
关键词：嵌入式；RS一485；印染设备；uClinux；监控
ARM Embedded Controller on Computer Monitoring Applied in Printing Equipment
FAN Yu—zhang，LI Wen-meng
（Zhongyuan Institute of Technology，Dep．Automation，Zhengzhou 450007，China）
Abstract：For tentering and thermo—fixing machine，a distributed monitoring system based on the 485 bus is designed．Weachieve the control of the master and slaver AC motor synchronization and temperature of the drying oven by the ARM embeddedcontroller．We also design the monitoring picture of the speed and temperature on the host PC with VB6．0 and achieve the datacommunication of ARM controller and inverter with PC．The results shoW that the system is simple and communication is reliable，and it can easily transplant and strongly expand to monitoring systems of printing equipment．
Key words：embedded；RS一485；printing equipment；uClinux ；monitoring
1 引 言
随着工业自动化进程的推进和企业信息化程度的提高，利用远端智能模块和RS一485网络构建监控工作分散、监控结果集中的分布式监控系统，由于投资费用低、结构简单、实现容易、通信距离长、抗噪声等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。而微电子技术和自动控制技术的发展。以及计算机技术迅速向非计算机领域的渗透，特别是32位微处理器ARM 在国内外的广泛应用，使数字化、网络化和智能化控制，成为新一代印染控制设备的主要发展方向。
我们针对拉幅热定型机主、从电机的同步运行和烘房温度控制系统进行监控，实现了微机（PC机）与MICROMASTER 440变频器的设站通讯，配合汉化下拉式菜单和画面显示，以及必要的操作提示，可完成对变频器参数的设定、运行参数的监测、运行数据和故障数据的采集。嵌入式控制器ARM除控制拉幅热定型机主、从电机的同步和烘房的温度外，还通过RS一485网络，将主、从电机的转速和烘房温度数据，传送给上位机画面实时显示。
2 系统的总体设计
图1为系统的总体框图。
ARM控制器通过两路光电脉冲发生器PG1和PG2，同时采集拉幅热定型机的主、从电机M1和M2的转速，经计算后求出两电机的转速偏差，再经过智能算法，输出控制量，调整从动机的转速，使之跟随主动机。由于是变频器驱动，控制量要转换为频率的变化量。ARM 控制器按确定的数据结构，把控制量送给PC机，PC机通过485接口与变频器通讯，调节变频器2输出频率，从而控制从动机M2的转速，使之与主电机同步运行。
ARM控制器还通过温度检测控制电路，采集烘房温度，经过适合的算法，对烘房温度进行控制。这里重点介绍PC机与变频器和嵌入式控制器的RS一485接口设计。整个系统采用RS一485总线标准进行数据传输。PC机采用研华的MOX—A CP一132UL卡，它是专为工业通讯环境设计的RS一422／485二串口卡，它支持2个独立的RS一422或RS一485串口，在一对多点应用环境中，每个串口最多可控制32个设备。每块卡采用自动数据流向控制ADDC（Automatic Data Direction Con—tro1）功能，无需额外的编程，即可轻松管理RS一485半双工通讯串口数据的传送和接收。变频器采用西门子的MM440，它有统一开放的USS通信协议，可方便的与PC机进行通信，并可以在运行中改变变频器的运行参数。
系统运行前，首先在PC机上设定变频器的内部参数，电机的转速和温度的额定值；同时开启控制器ARM，进行数据采集和运算控制。通过485总线，PC机可对主传动系统的主、从电机同步和烘房温度的控制进行实时监测。图1仅针对拉幅热定型机的同步系统，所以只用了一个ARM控制器，如果需要扩展到多单元的同步控制，增加被监控的单元和控制量，可利用485接口，方便地接人多个ARM控制器。
3 上位机和变频器
PC机与变频器的通信采用USS协议。该协议由SIEMENS AG定义，主要以RS一485总线方式将多台西门子公司生产的变频器、直流调速器或PLC等终端设备与工业控制计算机相连，实现远程监控。USS协议是开放的，所以为用户开发自己的基于该协议的软件产品提供了可行性。这样不仅有利于降低开发成本，而且能充分满足特定项目的需要，方便日常的工控网络维护。
USS协议支持多点联接，支持主一从存取方式，用于单主站系统，最多可链接32个站。USS协议支持可变和固定报文长度，报文格式简单，通信字符格式为：1位起始位、1位停止位、1位校验位、8位数据位，波特率最高可达18715Kbps。
图2为变频器MM440的通信报文结构，对报文的具体字符含义不做过多解释，详见文献[1]，强调一点MM440支持BiCo（二进制互联连接）技术，用户可更方便的对它进行参数的控制。
在变频器与PC机进行485通信前，对于MM440的参数设置至关重要。首先将所有参数复位到出厂设置：
P0010（调试参数过滤器）：30
表示为工厂的设定值；
P970（工厂复位）=1
表示所有参数都复位到它们的缺省值；
设置参数：P0700（选择命令源）=5，
表示C0M 链路的USS设置；
PIO00（频率设定值的选择）=5，
表示可通过USS对变频器进行控制；
P2010（USS波特率）=6，
表示通信波特率选9600；
P2011（USS地址号）等于1，
表示变频器1的地址为1；
P2009（USS规格化）等于1，
表示数值是以绝对十进制数的形式发送[即4000（十进制）（=0FA0hex）等于40．00Hz]；
P2012（USS协议的PZD（过程数据）长度）：2，
表示PZD传输的是控制字和设定值，共2个；
P1013（USS协议的PKW 长度）=4，
表示用4个字节读写各个参数的数值；
P2014（USS的停止传输时间（ms））=X，
表示允许用户设定一个时间X，在经过这个时间以后，如果USS通道接收不到报文，就将产生故障信号F07O。
上位机和变频器通信采用VB6．0编程[2]，程序编制上采用事件驱动的通信方式。串口每接收16个字符便激活一个OnComm（）事件，在On—Comm（）消息处理函数中，加入相应的处理代码，实现对变频器参数的在线修改[3]。
4 上位机和ARM
嵌入式控制器采用三星公司的32位微处理器S3C44B0，芯片的内核是16／32位ARM7TDMI精简指令结构处理器，是一种低功耗，通用微处理器内核，特别适合于对价格比较敏感产品的设计[4]。S3C44B0芯片除了微处理器内核外，在芯片中还集成了许多外围设备，如8通道10位ADC，1个I2C— BUS控制器，LCD控制器，2通道UART。最重要的是它可以移植操作系统uClinux进行管理。uClinux是一个优秀的嵌入式操作系统，它很适合那些没有MMU（Memory Management Unit）的处理器。没有MMU 的处理器在嵌入式领域中应用相当普遍。针对uClinux内核的二进制代码和源代码都经过重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使uClinux和标准Linux 2．0内核相比非常小，但它仍然保持了Linux操作系统主要优点。
本系统中，我们用带uClinux操作系统的S3C44BOX控制器，用它自带的一路10位ADC，方便的对拉幅热定型机的烘房温度进行较高精度的数据采集；通过I2C总线和外围计数芯片实现两路电机转速的采集。一个UART用作485总线接口，与PC机通信；一个LCD控制器直接接3．5寸的STN液晶器，方便观察。由于uClinux本身已经做好网络的移植，本系统采用网络芯片RTL8019AS把嵌入式接入以太网，用户可以通过浏览器访问该控制系统的运行数据，实现对系统的远程监控[5]。
在拉幅热定型机中，作为主传动，带动布铗的主、从电机的线速度同步，是保证加工质量的关键，控制算法通常在PC机中完成，由于本系统采用32位微处理器，所以完全可以在作为下位机的ARM控制器中完成。PC机仅用于监测和变频器通信，大大减轻了负担。而且S3C44B0具有很好的移植性，可以作为模块方便的挂在485总线上。嵌入式控制器S3C44B0和PC机之间，我们定义了下面的收发协议，如图3所示。其中命令包括复位命令和发送命令，若接收方在约定时间内未收到发送命令帧，则发送复位帧，双方回到通信程序的开始，清空缓冲区，然后重新同步，具体流程如图4所示。
以下为ARM控制器发送数据的主程序流程：
while（1）｛ //主循环
if（recv_cmd（&type）==0）//CRC校验发生帧错误
continue；
switch（type）｛
case_ADDR： //是本机地址
send_ack（_OK，0，dbuf）；//发送应答信息
break；
case_GETDATA_： //是发送命令帧
len= strlen（dbuf）；
send_data（_DATA，len，dbuf）；//发送采集数据信息
case_RESET： //是复位帧
break；
default：
break；//偷令类型错误，丢弃当前帧后返回
｝
｝
5 实验结果
PC机采用VB6．0做上位机监控画面，使用其Activex控件一MSComm，方便地实现了和多台变频器及嵌入式控制器的通信。为了使软件更友好，采用了多文档（MDI）Windows界面，支持下拉菜单，弹出式窗口，最大限度地方便了用户的操作。软件主要由以下几大模块组成，即：用户登陆模块，实时监控模块、参数设定模块，历史数据查询模块和文件管理模块。图5为实时监控模块，它的三块仪表可以显示两台主、从电机的转速和烘房的温度，当温度超过或低于设定值时，烘房温度报警指示灯会点亮红色，并发出报警声。同样，当主、从电机转速之差超过规定偏差的2％时，相应的报警指示灯也会点亮红色，并发出报警声。中间17个指示灯组成光柱，可以直观地显示主、从电机转速的正负偏差。当偏差为零时，中间的绿灯亮；有偏差时，两边的黄灯亮，偏差量越大，黄灯亮得越多，光柱越长；偏差超限时，位于光柱左、右两端的红灯亮，表示主、从电机的转速失去同步，发出报警停车信号，这种设计使人机界面更加友好。
6 结束语
在本系统中，ARM控制器实现了对拉幅热定型机主、从电机的同步控制和烘房温度的实时控制，PC机实现了对电机转速和温度的监控。对于像这样具有多控制任务的系统，选用ARM嵌入式控制器，显示了它在控制和通信上的优越性。虽然本系统是针对拉幅热定型机设计的，但是由于485总线的节点可以扩展到32个，变频器和控制器均可进一步扩展。而且低成本，低功耗，高性能的ARM控制器是在uClinux环境下开发的，其本身的移植性强，加上PC机配置页面的灵活性，更适合移植到其他印染设备的控制系统中，在其它工业现场的自动监控中也具有很强的推广价值。
参考文献
[1] MIcROMAsTER 440通用型变频器使用大全[S]．
[2] 范逸之，陈立元．Visual Basic与RS一232串行通信控制（最新版）[M]．北京：清华大学出版社，2002．
[3] 陈立定．Windows98下单台PC与多台变频器的串行通信控制[J]．微计算机信息，2001，（2）．
[4] 李岩，荣盘详．基于S3CA4BOX嵌入式uClinux系统原理及应用[M]．北京：清华出版社，2005．
[5] 李文蒙，范玉璋，陈晓雷．印染设备嵌入式同步控制远程监控的设计[J]．中原工学院学报，2006，（1）．
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