一種基于圖編程的AOI運動控制系統(tǒng)設計

陳國龍，鐘 靖，張正榮，鄔惠峰*

(1.杭州電子科技大學計算機學院，浙江杭州310018;2.浙江歐威科技有限公司，浙江溫州325000)

0 引 言

PCB-AOI(automatic optic inspection)全稱是自動光學檢測，是基于光學原理來對焊接生產(chǎn)中遇到的常見缺陷進行檢測的設備［1-2］。目前，國內(nèi)外該設備的運動控制系統(tǒng)基本都采用基于PC機的運動控制系統(tǒng)?；赑C的運動控制系統(tǒng)采用的運動控制卡，具有控制簡單、性能穩(wěn)定、精密度高等優(yōu)點［3-4］，但其運動控制功能固定，不可編程，若設備需要實現(xiàn)一些特殊的運動功能，而原先系統(tǒng)基本不能達到要求，只有尋求新的具有該功能的運動控制卡。其次，其容易受PC機操作系統(tǒng)穩(wěn)定性及線程調(diào)度等影響，導致在運動過程中出現(xiàn)死機、線程阻塞等，且目前電腦PCI插槽越來越少，這些因素導致PCB-AOI急需尋找一種更好的開放式運動控制系統(tǒng)［5-7］。

本研究提出一種基于圖編程、4層程序架構的PCB-AOI運動控制系統(tǒng)的設計，該設計采用內(nèi)存共享技術，在引擎中嵌入梯形圖，使得用戶可以嵌入自己的運動算法，這種設計模塊化，結構清晰，易移植，用戶可以輕松實現(xiàn)復雜或者特定的運動控制算法和多軸同步控制［8-9］。

控制系統(tǒng)硬件采用CASS嵌入式PLC，該嵌入式PLC采用雙核ARM芯片，性能穩(wěn)定，控制簡單，定位精度高，同時配有CASS嵌入式開發(fā)平臺，方便開發(fā)［10-11］。

1 系統(tǒng)硬件結構

該系統(tǒng)的硬件主要由控制主機、多軸運動控制器(CASS嵌入式PLC)、光源系統(tǒng)、鏡面反射系統(tǒng)、相機系統(tǒng)等構成，控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

其中，多軸運動控制器采用雙核ARM、CPLD技術，使其對電機具有優(yōu)越的控制性能:①多種控制功能(邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、順序控制等)、數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能、輸入輸出功能、在線調(diào)試功能、梯形圖編程等;②可以根據(jù)運動過程和目標的需求，實現(xiàn)多軸的同步運動控制和插補運動控制;③能夠實現(xiàn)全閉環(huán)運動控制，保證控制的精度;④能夠及時處理運動過程中出現(xiàn)的異常情況等。光源系統(tǒng)采用LED，使用電流大小可調(diào)的恒流源驅動，保證了在不同環(huán)境下，為相機提供足夠的亮度。

圖1 控制系統(tǒng)的硬件結構

系統(tǒng)在開始掃描PCB電路板前，首先，對各軸進行復位，各軸回到其限位原點，相機系統(tǒng)進行初始化，待點擊開始檢測后，上位機根據(jù)電路板的厚度，光源系統(tǒng)，相機系統(tǒng)運動到預設位置，打開光源，將電路板的圖像經(jīng)鏡面反射系統(tǒng)傳送到CCD相機上，CCD相機將圖像進行預處理后傳回給主機進行分析，整個掃描流程結束。系統(tǒng)設計人員在平臺Y軸方向加上光柵尺，一方面由于光柵尺的加入，與控制系統(tǒng)形成全閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)對位置的采樣點直接作用于工作平臺，使得控制精度更高。另一方面，光柵尺給CCD相機檢測系統(tǒng)提供脈沖反饋，相機根據(jù)該脈沖進行圖像采集。

2 系統(tǒng)軟件架構

在綜合目前AOI運動控制系統(tǒng)的不足以及對現(xiàn)有硬件的充分了解下，本研究提出了4層程序架構的系統(tǒng)軟件設計，控制系統(tǒng)的軟件架構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的軟件架構

(1)視圖界面層。視圖界面層為用戶提供交互式操作界面，同時處理各類數(shù)據(jù)，運動方式，由用戶在軟件Visual Studio 2008上開發(fā)。本研究也開發(fā)了Demo軟件，方便用戶進行系統(tǒng)的運動控制測試。

(2)DLL層為各運動函數(shù)、讀寫操作函數(shù)封裝，在此設定了用戶數(shù)據(jù)，用戶命令，進行了串口設置，實現(xiàn)了對下位機的讀寫操作，用戶在編寫視圖界面層時只需直接調(diào)用該層即可。

(3)邏輯控制層，即梯形圖程序層，包含了I/O邏輯和運動控制邏輯，數(shù)據(jù)命令的接口封裝，是實現(xiàn)運動控制功能的核心，由于這種多層結構將邏輯和驅動分開，使得運動邏輯和運動算法獨立于硬件，保證了控制器軟件開發(fā)的開放性。

(4)引擎驅動層主要實現(xiàn)硬件驅動、通信管理和命令處理。硬件驅動主要包括PWM驅動輸出、I/O驅動、電機方向控制及電機位置信息采集的處理等。

3 圖編程實現(xiàn)原理

本研究采用杭州電子科技大學智能與軟件研究所開發(fā)的CASS嵌入式開發(fā)平臺，根據(jù)AOI運動控制邏輯，用符合IEE61131-3標準的梯形圖編程語言編寫對應的梯形圖程序。通過預編譯器將梯形圖程序編譯成與目標CPU無關的中間代碼;由代碼生成器將中間代碼翻譯成目標CPU的C代碼或匯編代碼;再由編譯鏈接程序調(diào)用該代碼，編譯生成對應硬件平臺控制器的專用機器語言，嵌入到引擎驅動層中，構成系統(tǒng)運行程序。在CASS嵌入式PLC系統(tǒng)中，主CPU在其內(nèi)存的全局變量區(qū)開辟一片空間CassMem，主卡CPU內(nèi)存分配如圖3所示，用于存放PLC運行程序的軟元件，根據(jù)軟元件的不同，分為M(輔助繼電器)、X(輸入繼電器)、Y(輸出繼電器)、VD(數(shù)據(jù)存儲器)、S(狀態(tài)器)、T(定時器)、C(計數(shù)器)，并用這些軟元件來管理系統(tǒng)的內(nèi)存分配。同時為了實現(xiàn)PLC對運動過程的控制，本研究還在CassMem中專門開辟一片區(qū)域用于存放運動控制相關的數(shù)據(jù)和命令，其中輔助繼電器M用于存放運動控制命令和運動狀態(tài)，數(shù)據(jù)寄存器D用于存放運動數(shù)據(jù)。CassMem中各軟元件的功能說明如表1所示(其中，x代表軸號，其值為0～6)。

表1 運動參數(shù)內(nèi)存對照表

有了這些運動控制指令和數(shù)據(jù)參數(shù)的支持，用戶只需將相關參數(shù)和運動軌跡或者運動算法通過梯形圖邏輯描述，便可定制各類運動，這極大地保證了該設計的可編程性和開放性。圖編程是該設計的核心，其與各層間的交互方法在后文將會詳細闡述。同時在該系統(tǒng)設計中加入各類錯誤檢測邏輯，保證在系統(tǒng)遇到突發(fā)錯誤時能夠及時檢測，并做出相應動作，保證安全。如定點運動，上位機傳遞有關的控制參數(shù)(如坐標零點、起始位置、加減速度、目標位置、運動模式、操作等)，AOI平臺即完成指定的運動。電機運行的一個梯形圖簡例如圖4所示。該簡例展示了通過軟元件編程實現(xiàn)的電機運行。

圖3 主卡CPU內(nèi)存分配

圖4 電機運行

4 DLL層與邏輯控制層的交互

本研究利用串口通信模塊使DLL層與邏輯控制層進行交互，即實現(xiàn)對梯形圖層中軟元件的讀寫。

交互的關鍵:①保證通信的穩(wěn)定和安全性;②將梯形圖中的各軟元件與內(nèi)存中的實際物理地址的轉換。

串口通信采用主請求/從響應模式，ModBus協(xié)議，即保證了通信的安全和穩(wěn)定性，其數(shù)據(jù)幀格式如表2、表3所示。地址轉換則是根據(jù)內(nèi)存分配方式計算其真實物理地址。一個兩層間的交互過程圖如圖5所示。在DLL層中先尋找可用串口，初始化板卡，若有讀寫操作，則進行地址轉換，改變梯形圖層相應數(shù)據(jù)，進而執(zhí)行相應動作。

表2 主站發(fā)送幀的格式

表3 從站發(fā)送幀的格式

圖5 DLL層與邏輯控制層交互的實現(xiàn)

5 邏輯控制層與引擎驅動層的交互

邏輯控制層和引擎驅動層是通過內(nèi)存共享來進行交互的，主要體現(xiàn)在兩層之間的執(zhí)行關系和數(shù)據(jù)交互上。兩層程序分別儲存在主卡CPU的Flash上，其中引擎驅動由Keil平臺編譯器編譯成目標二進制文件，邏輯控制層程序經(jīng)過一系列編譯后，生成支持硬件控制平臺的專用機器語言，嵌入到引擎驅動層中，完成系統(tǒng)運行程序。

邏輯控制層和引擎驅動層的執(zhí)行關系如圖6所示，其中BootLoader程序是系統(tǒng)程序下載的引導程序，其工作原理為:在上位機有更新系統(tǒng)軟件程序的請求時，BootLoader程序首先通過串口接收待更新的程序，然后將程序寫入指定的flash程序存儲區(qū);若上位機無更新軟件程序的請求，則直接跳入主程序。

在進入主程序后，系統(tǒng)首先執(zhí)行初始化程序，即對硬件端口初始化、參數(shù)初始化、內(nèi)存空間分配等，然后進入主循環(huán)，等待觸發(fā)任務。

從任務角度來看，該系統(tǒng)的任務主要有3類:梯形圖掃描任務、運動控制任務和通信任務。其中，梯形圖層為周期掃描任務，由定時器觸發(fā)，為了保證對運動控制命令的快速響應，本研究只在中斷中置起事件標志位，而不進行周期掃描，具體的周期的掃描則在主循環(huán)中進行。運動控制任務和通信任務都由事件觸發(fā)，運動控制任務由梯形圖掃描程序觸發(fā)，當程序檢測到有運動任務時，就調(diào)用相關的運動指令，執(zhí)行運動輸出。通信任務則為梯形圖根據(jù)邏輯過程進行觸發(fā)，同理為了保證數(shù)據(jù)完整性，在中斷處不處理數(shù)據(jù)，僅置起事件標志，所有數(shù)據(jù)都在循環(huán)中處理。

圖6 邏輯控制層與引擎驅動層的執(zhí)行關系

邏輯控制層和引擎驅動層之間的數(shù)據(jù)交互則是通過內(nèi)存共享，如上所述，邏輯控制層用軟元件來管理內(nèi)存分配，即在主卡的內(nèi)存中使用一段空間作為兩層之間公共數(shù)據(jù)區(qū)CassMem，兩層間數(shù)據(jù)處理都來自該公共數(shù)據(jù)區(qū)，實現(xiàn)內(nèi)存共享。

6 系統(tǒng)應用

根據(jù)本研究的設計方法設計出來的基于圖編程的運動控制系統(tǒng)AOI的實物圖如圖7所示。PCB-AOI在一般情況下掃描一塊PCB板時的運動參數(shù)及誤差精度表如表4所示。其中掃描來回一次稱為一次掃描，一塊小型PCB板要掃描3次才能完成，設定伺服驅動器每旋轉一圈的脈沖為10 000，電機齒輪周長為20 mm，即脈沖比為500 p/mm(脈沖每毫米)，從表4中可以看出，實際效果滿足PCB-AOI運動精度要求，且運行穩(wěn)定。

圖7 基于圖編程的運動控制系統(tǒng)AOI實物圖

表4 實際掃描參數(shù)及誤差精度表

7 結束語

針對當前AOI采用的基于PC機的運動控制系統(tǒng)，其運動控制功能固定，不可編程，本研究提出了一種基于圖編程，4層程序架構的PCB-AOI運動控制系統(tǒng)的設計。該設計使得系統(tǒng)的開放性非常高，用戶對于不同機型、不同運動方式，嵌入自己的運動算法，從而輕松達到運動需求。同時經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)運動控制精度高，運動功能全，實時性強，開放性高，具有很大的推廣價值。

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