基于ARM和FPGA的嵌入式伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉，唐敦兵，周建華，楊俊，張澤群，仲太生

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225104)

?

基于ARM和FPGA的嵌入式伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉1，唐敦兵1，周建華1，楊俊1，張澤群1，仲太生2

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225104)

摘要：通過(guò)對(duì)曲柄滑塊伺服壓力機(jī)和伺服電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，對(duì)伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)，為伺服壓力機(jī)滑塊的精確控制提供了依據(jù)。設(shè)計(jì)了以S3C2440微處理器和FPGA為核心的控制器，構(gòu)建了Linux+Xenomai的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并采用Qt/Embedded開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面。控制系統(tǒng)功能完善，操作界面設(shè)計(jì)人性化。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；伺服壓力機(jī)；控制系統(tǒng)

0引言

隨著電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了壓力機(jī)行業(yè)水平的提高和技術(shù)的進(jìn)步。特別是在最近十多年，由于伺服控制技術(shù)的引進(jìn)，徹底打破了傳統(tǒng)壓力機(jī)行業(yè)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了液壓伺服壓力機(jī)、電動(dòng)伺服壓力機(jī)、復(fù)合伺服壓力機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)等多種形式的伺服壓力機(jī)[1]。其中直接驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)直接對(duì)滑塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可有效地控制壓力機(jī)滑塊的行程路徑、沖壓的速度和輸出力的大小。改善了壓力機(jī)的工作環(huán)境，拓寬了壓力機(jī)的使用范圍，適用于拉深、沖裁、彎曲、壓印、成形等多種不同的加工工藝。具有精度高、柔性好、效率高、噪聲低、環(huán)保性、復(fù)合性等特點(diǎn)，體現(xiàn)了現(xiàn)代鍛壓機(jī)床的一種發(fā)展趨勢(shì)[2]。

研究目標(biāo)是以嵌入式技術(shù)為平臺(tái)，利用其軟硬件資源可定制的特性，開(kāi)發(fā)高可靠性、低功耗、高性?xún)r(jià)比的嵌入式伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

伺服壓力機(jī)與傳統(tǒng)壓力機(jī)的最大區(qū)別在于，滑塊速度曲線的柔性規(guī)劃，并配合伺服電機(jī)中編碼器和位置傳感器等檢測(cè)器件形成閉環(huán)控制。可在一個(gè)沖壓周期內(nèi)對(duì)滑塊速度進(jìn)行規(guī)劃，針對(duì)不同材質(zhì)、沖壓對(duì)象，設(shè)計(jì)不同的加工模式，其中伺服控制器的設(shè)計(jì)與伺服控制軟件的開(kāi)發(fā)是整個(gè)伺服壓力機(jī)開(kāi)發(fā)的核心。伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、操作面板、伺服系統(tǒng)控制器、伺服系統(tǒng)控制軟件、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電動(dòng)機(jī)、位置檢測(cè)傳感器等組成，如圖1所示。

圖1　伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

目前控制系統(tǒng)大多采用PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡相結(jié)合，使用通用操作系統(tǒng)，如windows操作系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)在于能將PC機(jī)的開(kāi)放性和信息處理能力與運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)處理特性相結(jié)合，但整個(gè)控制系統(tǒng)成本高、硬件資源浪費(fèi)嚴(yán)重、功耗大[3]。以ARM9和FPGA組成運(yùn)動(dòng)控制器，向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供控制指令，實(shí)現(xiàn)伺服壓力機(jī)的滑塊速度和位置的調(diào)節(jié)。以三星公司的S3C2440微處理器為核心構(gòu)成系統(tǒng)主板，配合以FPGA為核心的擴(kuò)展板，構(gòu)成硬件平臺(tái)?；贚inux+Xenomai實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)建軟件運(yùn)行平臺(tái)，選用Qt/Embedded為圖形界面開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)伺服壓力機(jī)的控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一大特點(diǎn)就是應(yīng)用其靈活的可定制性，針對(duì)具體的應(yīng)用對(duì)象，可設(shè)計(jì)與其性能要求相匹配的嵌入式系統(tǒng)硬件。在具體設(shè)計(jì)中，需要對(duì)整個(gè)伺服壓力機(jī)的控制需求進(jìn)行詳細(xì)分析，以便使伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的開(kāi)發(fā)效率和應(yīng)用性能。

在功能上，伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下要求：

1) CPU應(yīng)能夠搭載合適的嵌入式系統(tǒng)，滿(mǎn)足系統(tǒng)多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的要求；滿(mǎn)足運(yùn)行過(guò)程中高速運(yùn)算和大量數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)囊蟆?/p>

2) 人機(jī)交互接口，支持觸摸屏和操作面板，實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)壓力機(jī)的控制。

3) 提供豐富的接口資源，如串口、USB、網(wǎng)絡(luò)接口以及各種標(biāo)準(zhǔn)總線接口，方便對(duì)外通信和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期調(diào)試。

4) 針對(duì)不同的加工對(duì)象和材料，控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的加工工藝。

5) 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集各種信號(hào)和數(shù)據(jù)，包括開(kāi)關(guān)量信號(hào)、傳感器信號(hào)、伺服電機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，并及時(shí)對(duì)各種信號(hào)做出相應(yīng)的處理。

6) 有足夠的存儲(chǔ)空間，以滿(mǎn)足嵌入式操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)程序和加工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

綜合考慮伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的功能需求和高性?xún)r(jià)比的原則，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了合理的選擇和設(shè)計(jì)，采用“核心板+擴(kuò)展板”的模式，系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1伺服控制器核心板

不同于傳統(tǒng)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)控制器采用上下位機(jī)雙CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的模式，將主要的控制任務(wù)和運(yùn)算放于核心板中的微處理器運(yùn)行。核心板的主要任務(wù)包括運(yùn)行操作系統(tǒng)、伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)程序、驅(qū)動(dòng)觸摸屏、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)和狀態(tài)的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等。

核心板主要包括的資源有，三星公司生產(chǎn)的ARM920T內(nèi)核的S3C2440微處理器，主頻達(dá)到400 MHz，最高可達(dá)到533 MHz；64 M SDRAM，時(shí)鐘頻率為100 MHz；256 M NAND Flash和2M NOR Flash，支持掉電非易失；4線電阻式觸摸屏接口；DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片(100M網(wǎng)口)；豐富的外部接口資源，包括USB接口、串口、JTAG接口、電源接口、GPIO接口、系統(tǒng)總線接口、LED指示燈、按鍵等資源。這些豐富的資源，極大的方便了開(kāi)發(fā)、調(diào)試、與擴(kuò)展板通信、控制外部設(shè)備等。

其中JTAG接口為前期的硬件在線調(diào)試提供了方便，網(wǎng)絡(luò)接口為后期的驅(qū)動(dòng)程序、伺服控制軟件等程序的在線調(diào)試以及伺服壓力機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能，串口可作為操作系統(tǒng)的控制終端或者被用于同宿主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。操作系統(tǒng)映像文件、文件系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)程序等最終被存儲(chǔ)于NAND Flash中，開(kāi)機(jī)以后，操作系統(tǒng)映像文件被裝載到SDRAM中運(yùn)行，隨后伺服控制系統(tǒng)也被裝載到SDRAM中運(yùn)行。

2.2伺服控制器擴(kuò)展板

伺服控制器擴(kuò)展板以FPGA為核心，采用Altera公司的EP1C12Q240C8芯片，內(nèi)部資源豐富，有12060個(gè)邏輯單元，173個(gè)具有獨(dú)立的三態(tài)輸出使能的I/O引腳，239616bit的RAM，并支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)加以輔助的硬件電路，包括碼盤(pán)接口模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出處理模塊、電源模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊等，擴(kuò)展板通過(guò)擴(kuò)展總線接口同核心板進(jìn)行通信。

為實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，需要實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中編碼器的反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器輸出三對(duì)差分信號(hào)，A+/A-,B+/B-,Z+/Z-。首先經(jīng)過(guò)26LS32構(gòu)成的差分電路，將這三對(duì)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)A、B、Z，再經(jīng)過(guò)74AHC14芯片構(gòu)成的整形濾波電路，消除信號(hào)中的毛刺，最終被送到FPGA，經(jīng)過(guò)四倍頻鑒向電路處理，將相差90°相位的編碼器返回信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，其中計(jì)數(shù)結(jié)果被放置于FPGA中的一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器中?？赡嬗?jì)數(shù)器的輸出即為編碼器當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，當(dāng)系統(tǒng)需要讀取編碼器當(dāng)前值時(shí)，只需要讀取相應(yīng)的地址中的值即可。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)部分，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的構(gòu)建和控制系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)。前者為后者提供開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的環(huán)境，后者為整個(gè)控制系統(tǒng)提供了具體功能的實(shí)現(xiàn)，伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

3.1伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要特點(diǎn)

1) 多任務(wù)

整個(gè)伺服壓力機(jī)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，為了使整個(gè)系統(tǒng)功能更完善、處理速度更快、結(jié)構(gòu)更加緊湊，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分為管理模塊、伺服控制模塊、編程模塊和邏輯控制模塊，伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)任務(wù)模塊如圖4所示。

圖4　伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件任務(wù)模塊圖

2) 并行性

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各任務(wù)之間并行運(yùn)行，因此需合理的分配各任務(wù)占用處理器的時(shí)間。采用嵌入式操作系統(tǒng)作為伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，可方便的利用操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度功能，通過(guò)操作系統(tǒng)的進(jìn)程或者線程來(lái)實(shí)現(xiàn)各任務(wù)的并行運(yùn)行。

3) 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)能夠在指定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需的服務(wù)。整個(gè)伺服壓力機(jī)的控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性由系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)兩部分決定。由于核心板的微處理器正常主頻能到達(dá)400MHz，完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)性的要求，故伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要受操作系統(tǒng)的影響。

3.2軟件系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的選擇和構(gòu)建

由于伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的多任務(wù)、并行性、實(shí)時(shí)性的要求，需要選擇一款功能強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)方面應(yīng)用比較廣泛的操作系統(tǒng)主要有：

1) μC/OS-II是一種開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它僅僅包含了一些基本功能，如任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間的通信和同步等，并沒(méi)有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)需要開(kāi)發(fā)者自己實(shí)現(xiàn)。

2) VxWorks操作系統(tǒng)支持多任務(wù)調(diào)度，基于優(yōu)先級(jí)搶占方式和同優(yōu)先級(jí)任務(wù)間的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，因此能夠保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，但其使用費(fèi)用同樣昂貴。

3) WindowsCE是微軟公司開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，它經(jīng)過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、可伸縮性能好、通信功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能出色、對(duì)硬件支持性好，但其商業(yè)版本需要付費(fèi)。

4) Linux是一種自由的、源碼開(kāi)放、基于POSIX和UNIX的多用戶(hù)、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，存在著許多不同的Linux版本，其中常見(jiàn)的版本有Ubuntu、Debian、Mandrake、Red Hat Linux、SuSE、Linux Mint等。

文中所選用的嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式Linux系統(tǒng)，相較于其他系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是：源代碼開(kāi)放、內(nèi)核結(jié)構(gòu)模塊化、廣泛的平臺(tái)支持和完善的技術(shù)支持等，這為構(gòu)建伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件的運(yùn)行環(huán)境提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

3.3Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的不足與改造

操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的衡量主要從三個(gè)方面考慮，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)切換時(shí)間、中斷延遲時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的不同，操作系統(tǒng)被分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種類(lèi)型。硬實(shí)時(shí)要求操作系統(tǒng)對(duì)于事件的響應(yīng)時(shí)間必須是確定的，而軟實(shí)時(shí)是指操作系統(tǒng)對(duì)于截止時(shí)間沒(méi)有強(qiáng)制的要求，不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)致命的錯(cuò)誤。標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)的初衷是用于通用的操作系統(tǒng)，并沒(méi)有提供對(duì)硬實(shí)時(shí)的支持，其采用的調(diào)度策略是優(yōu)先級(jí)與時(shí)間片相結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)的Linux實(shí)時(shí)性弱的原因在于非搶占式的內(nèi)核、機(jī)會(huì)均等的調(diào)度策略、過(guò)長(zhǎng)的中斷禁止時(shí)間、系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘粒度比較粗糙、虛擬內(nèi)存技術(shù)的使用等問(wèn)題[4]。

目前對(duì)于Linux的實(shí)時(shí)性的改造主要有兩種思想，一種是直接修改內(nèi)核，另外一種是使用雙內(nèi)核[5]。根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的要求，對(duì)Linux內(nèi)核中相應(yīng)的實(shí)時(shí)性缺陷進(jìn)行修改，有較大的修改工作量和開(kāi)發(fā)難度，采用該方法的產(chǎn)品有Kurt-Linux、RED-Linux、Linux-SRT等。雙系統(tǒng)是指外擴(kuò)一個(gè)用于實(shí)時(shí)功能的內(nèi)核，通過(guò)硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)解決Linux系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核支持硬實(shí)時(shí)之間存在的矛盾。目前使用這種方法的設(shè)計(jì)有RTAI、RT-Linux、Xenomai等。它們都從不同的方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核進(jìn)行了實(shí)時(shí)性的支持，其中大多數(shù)都是通過(guò)提高時(shí)鐘精度、解決內(nèi)核態(tài)不能搶占和封中斷等問(wèn)題來(lái)解決。

在雙系統(tǒng)方面，由于RT-Linux的開(kāi)源免費(fèi)版只是提供了對(duì)于X86的硬件平臺(tái)，RTAI對(duì)于S3C2440A也不支持，因此選擇了平臺(tái)支持性更好的Xenomai。Xenomai通過(guò)Adeos機(jī)制構(gòu)建了一個(gè)平行于Linux系統(tǒng)的是實(shí)時(shí)內(nèi)核，Adeos是用來(lái)建立一個(gè)可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)自適應(yīng)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，Adeos通過(guò)在一個(gè)已經(jīng)存在的操作系統(tǒng)之下抽象出一個(gè)軟件層，該軟件層能夠使得多個(gè)操作系統(tǒng)共同使用硬件資源。在Adeos中，Xenomai和Linux都以域的形式存在，Linux作為根域?yàn)閄enomai提供基本的功能。Linux系統(tǒng)經(jīng)實(shí)時(shí)化改造后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5　Linux+Xenomai實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.4主要功能模塊設(shè)計(jì)

a) 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有三種工作模式：位置模式、速度模式、轉(zhuǎn)矩模式。按照伺服壓力機(jī)的控制要求，對(duì)滑塊速度和位置都需要精確控制，所以需要選擇位置模式，但位置模式是驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算最多、耗時(shí)最長(zhǎng)的一種模式，對(duì)伺服壓力機(jī)的精度會(huì)有所影響，所以文中選擇速度模式，而將位置模式中的位置環(huán)放于核心板中進(jìn)行運(yùn)算。伺服電機(jī)的控制由核心板和擴(kuò)展板共同完成，其中核心板輸出電機(jī)控制所需的PWM信號(hào)，經(jīng)擴(kuò)展板中的26LS31差分芯片獲得差分信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路和濾波電路，得到變化范圍為+10 V到-10 V的模擬量電壓信號(hào)，最終將信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)器的速度模式的輸入端，其中伺服電機(jī)速度的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)完成。

b) 基于RS232的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器通訊控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器通訊是指通過(guò)核心板中的RS232串口和伺服驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行通訊。選用的三菱MR-J2S系類(lèi)的伺服驅(qū)動(dòng)器，具有RS-422/RS-232串行通訊功能。通過(guò)通信可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行伺服系統(tǒng)、修改參數(shù)、監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)等功能[6]。通訊控制模塊主要實(shí)現(xiàn)外部輸入/輸出狀態(tài)的讀取、參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)讀取、報(bào)警狀態(tài)讀取與報(bào)警清除、電機(jī)狀態(tài)讀取(反饋脈沖累計(jì)、伺服電機(jī)速度和滯留脈沖等)等功能。

三菱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通訊采用十六進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)在控制器和驅(qū)動(dòng)器之間采用ASCII碼傳輸，一次完整的通訊過(guò)程包括握手過(guò)程、數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)束、和校驗(yàn)等過(guò)程完成[7]。通訊過(guò)程采用主從問(wèn)答式，每次通訊都是由控制器端發(fā)出指令啟動(dòng)通訊，驅(qū)動(dòng)器端接收指令后，核對(duì)站號(hào)(驅(qū)動(dòng)器地址)，正確就響應(yīng)命令，返回結(jié)果給控制器端，圖6所示為一次完整的通訊過(guò)程。

圖6　通訊過(guò)程示意圖

c) 人機(jī)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

用戶(hù)界面是用戶(hù)與整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行交互的主要方式，其功能的完整性、布局的合理性、操作的方便性和人性化直接影響了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的使用。目前Linux環(huán)境下的界面開(kāi)發(fā)工具主要有Qt/Embedded、MiniGUI、MicroWindws、GTK+等[8]，綜合考慮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用Qt的嵌入式版本Qt/Embedded開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。與其他界面開(kāi)發(fā)工具相比，其特點(diǎn)是：良好的平臺(tái)移植性、面向?qū)ο蟮姆庋b機(jī)制、豐富的API、信號(hào)與槽通信機(jī)制等。

本伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面分為多個(gè)模塊，不同功能模塊可通過(guò)選項(xiàng)卡進(jìn)行自由切換，在不同的界面里實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)顯示等(圖7)，主要界面模塊有：

1) 伺服壓力機(jī)功能選擇模塊。在此功能界面內(nèi)部集成了多種伺服壓力機(jī)的工作模式，根據(jù)不同的零件加工要求，選擇加載不同的程序進(jìn)行加工。

2) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。由圖7(a)所示，主要是整個(gè)伺服壓力機(jī)的狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括開(kāi)關(guān)量信號(hào)、潤(rùn)滑系統(tǒng)狀態(tài)、保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)、滑塊運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、加工狀態(tài)等，以及整個(gè)系統(tǒng)的啟停選擇等。

3) 生產(chǎn)信息模塊。由圖7(b)所示，顯示伺服壓力機(jī)的主要參數(shù)指標(biāo)，選擇該次加工的零件的名稱(chēng)、型號(hào)、使用模具的型號(hào)以及加工的類(lèi)型，以備記錄查看。

4) 報(bào)警信息模塊。記錄和顯示整個(gè)伺服壓力機(jī)的報(bào)警信息，主要包括報(bào)警項(xiàng)目、出錯(cuò)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、處理人、詳細(xì)原因等，方便記錄和查詢(xún)。

圖7　控制系統(tǒng)運(yùn)行圖

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、人機(jī)界面以及主要控制模塊的選擇和設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)功能完善、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)建的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)了伺服壓力機(jī)的主要控制任務(wù)。在后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步完善電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，提高滑塊的控制精度。

參考文獻(xiàn):

[1] 史國(guó)亮, 孫友松, 黎勉, 等. 1 100 kN 伺服曲柄壓力機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2009, 34(2): 79-82.

[2] 孫友松, 周先輝, 黎勉, 等. 交流伺服壓力機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 鍛壓技術(shù), 2008, 33(4): 1-8.

[3] 趙英燦. 基于 ARM 的伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 32(5).

[4] 韓守謙, 裴海龍, 王清陽(yáng). 基于 Xenomai 的實(shí)時(shí)嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的構(gòu)建[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2011, 32(001): 96-98.

[5] 李少雪, 吾守爾, 斯拉木, 等. 嵌入式 Linux2. 6 的實(shí)時(shí)性能研究與優(yōu)化[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī), 2010, 8: 053.

[6] 陳振華, 李聲晉, 蘆剛. 伺服系統(tǒng)的串行通訊實(shí)時(shí)性研究[J]. 機(jī)械與電子, 2006, 12: 31-33.

[7] 閆獻(xiàn)勇, 吳嵐軍, 王珺. 用微機(jī)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004, 8: 33-34.

[8] 丁丁, 習(xí)勇, 魏急波. 三種主流嵌入式圖形用戶(hù)界面的移植及性能比較[J]. 電子產(chǎn)品世界, 2004, 9(5): 3-4.

Design of Embedded Control System of Servo Press Based on ARM and FPGA

ZHANG Wei1, TANG Dun-bing1, ZHOU Jian-hua1,YANG Jun1, ZHANG Ze-qun1，ZHONG Tai-sheng2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, College of Mechanical and Electrical Engineering,

Nanjing 210016,China; 2. Jiangsu Yang Li Group Co., Ltd., Yangzhou 225104,China)

Abstract:Based on the analysis of the working principle of crank-slider servo press and servo motor, software and hardware of the control system for servo press are selected and designed, which provide the basis for controlling slider move precisely. The controller composed of S3C2440 microprocessor and FPGA is designed and real-time operating system based on Linux+Xenomai is constructed. Then the man-machine interface is designed by Qt/Embedded software. The function of the control system is improved and the interface is of humanized design.

Key words:embedded system; servo-press; control system

收稿日期：2014-11-19

中圖分類(lèi)號(hào)：TG315; TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0150-05

作者簡(jiǎn)介：張偉(1989-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗欧毫C(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。