基于STM32的動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

宋 建,李 鈺,蔡國(guó)強(qiáng)

1.華南理工大學(xué),廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,聚合物加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.東華機(jī)械有限公司

0 引言

動(dòng)態(tài)注塑成型加工技術(shù)將傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)剪切流變支配的加工方式改為振動(dòng)剪切流變的加工方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑原理的突破,理論和實(shí)驗(yàn)均表明此項(xiàng)技術(shù)不僅對(duì)注塑工況有明顯的改善效果,而且對(duì)高分子材料注塑成型制品的形狀、性能與質(zhì)量均有積極的調(diào)控作用[1]。目前,有學(xué)者針對(duì)不同注塑機(jī)研究并開發(fā)了電磁激振式、液壓激振式等的脈動(dòng)壓力誘導(dǎo)塑化注射裝置[1]。電磁激振式通過交變電磁力引起螺桿軸向振動(dòng),而液壓激振式通過激振油缸產(chǎn)生的周期性脈動(dòng)油壓誘導(dǎo)螺桿軸向振動(dòng),或不使用激振油缸,通過注射油缸配合液壓閥的周期性變化,使螺桿在交變外力作用下作軸向振動(dòng)。上述激振方式均需在注塑機(jī)原有的機(jī)械設(shè)備上增加一套額外的激振裝置。針對(duì)新型的液壓伺服注塑機(jī),瞿金平院士團(tuán)隊(duì)提出了一種泵控液壓激振解決方案[2-4]:通過控制伺服液壓泵出口壓力/流量(P/Q)的周期性變化使得螺桿產(chǎn)生軸向和周向脈動(dòng)。

本文基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器,能根據(jù)不同注塑工序產(chǎn)生波形、頻率和幅度可調(diào)的交流信號(hào),與原有的注塑機(jī)控制器給出的P/Q信號(hào)合成后接入伺服驅(qū)動(dòng)器,控制液壓泵出口的P/Q產(chǎn)生周期性變化,繼而使得螺桿產(chǎn)生脈動(dòng),將原先的靜態(tài)注塑機(jī)升級(jí)改造為動(dòng)態(tài)注塑機(jī)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,主要由6部分組成,分別為主控芯片、信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)幅電路、信號(hào)合成電路、RS485通訊接口電路以及觸摸屏。主控芯片為STM32F103ZET6單片機(jī),這是一款基于Cortex-M3的32位處理器。信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)調(diào)幅電路配合產(chǎn)生相應(yīng)波形、頻率、幅值可調(diào)的振動(dòng)交流信號(hào),在信號(hào)合成電路中與注塑機(jī)控制器產(chǎn)生的靜態(tài)注塑P/Q信號(hào)合成疊加成為動(dòng)態(tài)注塑P/Q信號(hào)輸出;RS485通訊接口用于與注塑機(jī)控制器的通訊連接,并接收注塑機(jī)控制器的工序信號(hào);觸摸屏用于各個(gè)注塑工序相應(yīng)的頻率、幅值參數(shù)設(shè)定以及波形選項(xiàng)的選定,并將對(duì)應(yīng)的工序步驟顯示屏幕上,便于識(shí)別操控。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)發(fā)生電路的核心為AD9833芯片,AD9833生成波形采用了DDS數(shù)字合成器技術(shù)。圖2為DDS基本結(jié)構(gòu)示意圖,原理是利用相位累加器在時(shí)鐘信號(hào)的作用下累加頻率控制字,輸出的結(jié)果與波形控制字相加,作為不同類型波形數(shù)據(jù)分區(qū)塊存儲(chǔ)的地址值,再將地址值與相位控制字相加,得到相位不同的波形[5]。

圖2 DDS基本結(jié)構(gòu)示意圖

STM32主控芯片與AD9833的通訊方式為單工SPI通訊,而后續(xù)使用的MCP41010芯片也采用單工SPI通訊,因此為節(jié)省IO口,采用一主多從的器件布局,所有的從器件共享同一根時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線。主控芯片STM32為每個(gè)從機(jī)分配1個(gè)獨(dú)立的NSS片選引腳,從而實(shí)現(xiàn)各從器件的獨(dú)立尋址。文中用到STM32F103ZET6主控芯片的SPI1接口,由于需要有多個(gè)NSS片選引腳,因此在配置SPI1相關(guān)引腳為復(fù)用功能時(shí)需要將固件函數(shù)庫SPI_InitTypeDef結(jié)構(gòu)體中的SPI_NSS成員參數(shù)設(shè)置為軟件管理模式[6]。

圖3為設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路原理圖,時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線分別為SPI1的PA-5、PA-7,片選引腳選用PA-4,外部時(shí)鐘速率為25 MHz。AD9833芯片的輸出端接電容隔離直流分量。此處電壓跟隨器起到隔離緩沖、提高帶載能力的作用,這有助于提高后續(xù)由數(shù)字電位器組成的放大電路的穩(wěn)定。

圖3 信號(hào)發(fā)生電路原理圖

2.2 信號(hào)調(diào)幅電路

傳統(tǒng)的增益可調(diào)節(jié)放大電路中的電阻一般會(huì)采用機(jī)械轉(zhuǎn)鈕式電阻,通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的劃片帶動(dòng)以改變電阻值從而改變?cè)鲆娲笮7]。這種方式雖然價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是調(diào)節(jié)時(shí)一般都需要人為或者電機(jī)帶動(dòng),不符合動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用需求。本文采用通用型運(yùn)算放大器與數(shù)字電位器組合成的程控放大器實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。

MCP41010是一款單通道、數(shù)字控制的8引腳數(shù)字電位器,具有256位的分辨精度,PA與PB為電位器的2個(gè)終端,PW為數(shù)字電位器的滑動(dòng)端,在上電時(shí)抽頭復(fù)位到半量程 (80 h),即滑動(dòng)端PW指向PA與PB的中間[8]。

信號(hào)調(diào)幅電路原理圖如圖4所示,MCP41010用于通訊的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線連接SPI1的PA-5、PA-7,片選引腳選擇為PA-6。將數(shù)字電位器MCP41010與運(yùn)算放大器OP07組成信號(hào)幅值調(diào)節(jié)電路,放大方式采用反相比例放大,其中放大電路的負(fù)反饋電阻采用50 kΩ的固定電阻,MCP41010數(shù)字電位器作為輸入電阻,信號(hào)經(jīng)過放大增益后連接電壓跟隨器以提高后續(xù)帶負(fù)載能力。

圖4 信號(hào)調(diào)幅電路原理圖

2.3 信號(hào)合成電路

信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)調(diào)幅電路配合產(chǎn)生P/Q振動(dòng)交流信號(hào),而P/Q振動(dòng)交流信號(hào)需要與靜態(tài)注塑P/Q直流信號(hào)疊加合成為動(dòng)態(tài)注塑P/Q信號(hào)。圖5中Vin2與Vin3分別為振動(dòng)交流信號(hào)與注塑機(jī)控制器輸出的靜態(tài)注塑直流信號(hào),此處先使用OP07運(yùn)算放大器組成的反相加法器進(jìn)行信號(hào)合成,之后再采用反相運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)相位反轉(zhuǎn),最終生成所需的動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)。

圖5 信號(hào)合成電路原理圖

2.4 RS485通訊接口電路

RS485總線具有布線簡(jiǎn)單、通訊方便、價(jià)格低、通訊距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)景中[9]。通訊單元的物理層采用RS485串行總線的方式。

圖6為RS485電路原理圖,使用SP3485芯片作為TTL電平與485電平的轉(zhuǎn)換芯片。其中SP3485的DE引腳發(fā)送使能信號(hào)(高電平有效),RE引腳接受使能信號(hào)(低電平有效),因而將其同時(shí)與單片機(jī)STM32的PD7引腳連接,便可僅需1個(gè)引腳控制串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。R14與R17為偏置電阻用來保證總線空閑時(shí),A、B之間的電壓差不大于200 mV,從而避免因?yàn)榭偩€空閑時(shí)由于A、B壓差不定而引起的邏輯混亂,導(dǎo)致可能出現(xiàn)的亂碼。

圖6 RS485電路原理圖

2.5 觸摸屏

人機(jī)交互界面使用的觸摸屏硬件模塊為ALIENTEK第2代7寸TFTLCD電容觸摸屏,內(nèi)置ILI1963 LCD控制器以及FT5426電容觸摸芯片,其分辨率為800像素×480像素,支持16位的8080并行接口,可使用565RGB真彩顯示,內(nèi)部自帶顯卡存儲(chǔ),正常工作電壓為3.3 V。

根據(jù)LCD控制器的顯示工作機(jī)理,其內(nèi)部RAM可以認(rèn)為是不帶地址總線的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,因此將STM32的相應(yīng)串口設(shè)置為工作在FSMC總線方式下,就能按照16位的8080并口通訊方式訪問LCD控制器,并實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的驅(qū)動(dòng)。而FT5426與STM32的通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)I2C的形式,在完成初始化后讀取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù),先讀取0X02寄存器,判斷有多少個(gè)有效觸摸點(diǎn),然后讀取0X03～0X1E等寄存器,便可獲取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體架構(gòu)

動(dòng)態(tài)信號(hào)調(diào)節(jié)器的軟件基于UCOSIII操作系統(tǒng)開發(fā)。用戶可以創(chuàng)建多個(gè)優(yōu)先級(jí)別不同的任務(wù),并按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)選擇性地調(diào)用任務(wù)[10]。本文根據(jù)功能需要設(shè)計(jì):信號(hào)發(fā)生、信號(hào)調(diào)幅、Modbus通訊以及觸摸屏4個(gè)任務(wù),并配置不同的循環(huán)時(shí)間。循環(huán)任務(wù)之前需要對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行初始化,主要包括操作系統(tǒng)初始化、SPI總線初始化、RS485串口初始化、觸摸屏初始化與emWin初始化等,系統(tǒng)程序主流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序主流程圖

3.2 信號(hào)發(fā)生任務(wù)

信號(hào)發(fā)生任務(wù)部分需要使用SPI總線,對(duì)SPI總線進(jìn)行初始化的工作在主流程中就已經(jīng)完成,因此,在進(jìn)入到任務(wù)函數(shù)中后只需要判斷是否需要改變參數(shù),若為是,則進(jìn)入到對(duì)AD9833的寫數(shù)據(jù)過程;若為否,則直接結(jié)束。

本文對(duì)AD9833的寫數(shù)據(jù)過程共分為5個(gè)步驟:

1)對(duì)AD9833進(jìn)行初始化時(shí),為了避免產(chǎn)生虛假DAC輸出,需要將RESET置為1,使AD9833復(fù)位,即寫入0x0100;

2)控制寄存器B28=1,D14D15=00,此項(xiàng)命令是為了將一個(gè)完整的字通過2次連續(xù)寫入載入到頻率寄存器當(dāng)中,即寫入0x2100;

3)選擇頻率寄存器,寫入2個(gè)連續(xù)的14位數(shù)據(jù);

4)選擇相位寄存器并寫入相位數(shù)據(jù);

5)重新將RESET位置為0,選擇要使用的頻率寄存器、相位寄存器以及需要輸出的波形種類,在RESET置0后的8個(gè)MCLK周期內(nèi),DAC輸出端會(huì)出現(xiàn)信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生任務(wù)程序流程圖如圖8所示。

圖8 信號(hào)發(fā)生任務(wù)程序流程圖

3.3 信號(hào)調(diào)幅任務(wù)

信號(hào)調(diào)幅任務(wù)需要在主流程完成SPI總線的初始化,進(jìn)入任務(wù)函數(shù)后只需要判斷是否改變阻值,若為是,則對(duì)MCP41010寫數(shù)據(jù);若為否,則直接結(jié)束。

對(duì)MCP41010的寫數(shù)據(jù)共分為2個(gè)字節(jié):第1段為命令字節(jié),命令字節(jié)中第2、3位和6、7位為無關(guān)位,C1、C0為指令選擇位,P1、P0為通道選擇位,MCP41010只集成了1個(gè)電位器,因而通常會(huì)將命令字節(jié)設(shè)定為0x11;數(shù)據(jù)字節(jié)為8位,可以將電位器滑動(dòng)端置于256個(gè)端點(diǎn)中的任意一個(gè),精度極高。信號(hào)調(diào)幅任務(wù)程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)調(diào)幅任務(wù)程序流程圖

3.4 Modbus通訊任務(wù)

Modbus通訊協(xié)議現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,在不同的串口設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通訊,目前已成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),獲得不同硬件廠商的支持[11]。

Modbus的通訊協(xié)議采用主/從問答的方式,通訊時(shí)由主機(jī)發(fā)起通訊任務(wù),通訊格式為:從機(jī)地址-功能代碼-地址區(qū)域-數(shù)據(jù)量-校驗(yàn)碼,而從機(jī)在接收呼叫后,會(huì)根據(jù)功能代碼完成相應(yīng)動(dòng)作并向主機(jī)響應(yīng)[12]。

本文采用的Modbus傳輸協(xié)議通過RS485串口進(jìn)行傳輸,在進(jìn)行協(xié)議層數(shù)據(jù)傳輸前,需要先完成物理層硬件串口的初始化,這部分工作在主程序流程中執(zhí)行。進(jìn)入到任務(wù)函數(shù)中需要依次判斷是否收到主機(jī)指令、是否為本機(jī)地址、CRC校驗(yàn)是否正確,在均為是的情況下就可以根據(jù)功能碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或者寫入,再向主機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù),至此結(jié)束。Modubs通訊任務(wù)程序流程圖如圖10所示。

圖10 Modbus通訊任務(wù)程序流程圖

3.5 觸摸屏任務(wù)

觸摸屏任務(wù)主要使用emWin圖形庫來幫助顯示更新,因此,在對(duì)觸摸屏進(jìn)行初始化后,也需要對(duì)emWin圖形庫進(jìn)行初始化,這2部分的工作已經(jīng)在準(zhǔn)備階段完成。因而,進(jìn)入至觸摸屏任務(wù)后,檢測(cè)觸摸屏是否按下,若為是,則會(huì)實(shí)時(shí)更新顯示;若為否,則直接結(jié)束任務(wù)。觸摸屏任務(wù)程序流程圖如圖11所示。

圖11 觸摸屏任務(wù)程序流程圖

觸摸屏界面圖如圖12所示,注塑共分為3個(gè)不同的階段,分別為注射、保壓以及熔膠,因此在觸摸屏界面上可以分別對(duì)不同階段的P/Q注塑信號(hào)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定與選擇。其中,P/Q振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值參數(shù)可以通過直接點(diǎn)擊相應(yīng)位置的編輯框后輸入設(shè)定數(shù)值;波形的選擇則可以在下拉列表中進(jìn)行選定。在完成信號(hào)參數(shù)設(shè)定后,調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)與上位機(jī)的通訊信息實(shí)時(shí)對(duì)輸出的波形進(jìn)行調(diào)節(jié),并且將當(dāng)前的工序信息顯示在觸摸屏上,以方便用戶觀察。

圖12 觸摸屏界面圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)使用的示波器型號(hào)為:Tektronix DPO 2012B。實(shí)驗(yàn)方法為:通過用戶界面針對(duì)注射、保壓、熔膠3種工序分別設(shè)置不同頻率和幅值的正弦波、三角波、方波信號(hào),使用示波器通道CH2測(cè)試靜態(tài)注塑P/Q信號(hào),CH1測(cè)試經(jīng)過動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器信號(hào)疊加處理后的動(dòng)態(tài)注塑P/Q信號(hào),如圖13、圖14所示。

圖13 動(dòng)態(tài)注塑時(shí)的P給定信號(hào)

圖14 動(dòng)態(tài)注塑時(shí)的Q給定信號(hào)

經(jīng)過測(cè)試可得出以下結(jié)論:動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器能夠產(chǎn)生正弦波、三角波與方波3種周期性信號(hào)且波形輸出的頻率可達(dá)0.1 Hz,信號(hào)幅值范圍為0～10 V,符合伺服泵的輸入信號(hào)范圍,能夠激起注塑機(jī)的液壓脈動(dòng)從而達(dá)到動(dòng)態(tài)注塑的效果。

5 結(jié)束語

本文基于STM32F103ZET6芯片與UCOSIII操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器。采用了AD9833和MCP41010芯片實(shí)現(xiàn)了P/Q振動(dòng)信號(hào)的發(fā)生與調(diào)幅;采用OP07組成的加法器實(shí)現(xiàn)了P/Q振動(dòng)信號(hào)與靜態(tài)注塑P/Q信號(hào)的合成;基于RS485接口并采用Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)控制器與調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)通訊;基于emWin圖形庫設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面,可以在觸摸屏上設(shè)定選定注塑參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器可根據(jù)注塑機(jī)控制器傳送的工序信息在不同工序下輸出不同波形、頻率和幅度的動(dòng)態(tài)注塑P/Q信號(hào),滿足泵控液壓激振系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)注塑的應(yīng)用需求。