ARM嵌入式控制器应用于印染设备监控中
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-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。
图1 系统框图
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-485接口设计。整个系统采用RS-485总线标准进行数据传输。PC机采用研华的MOX-A CP-132UL卡，它是专为工业通讯环境设计的RS-422／485二串口卡，它支持2个独立的RS-422或RS-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-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-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，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）＝1，表示变频器1的地址为1；
P2009（USS规格化）＝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，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。
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。
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。
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-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。
图1 系统框图
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-485接口设计。整个系统采用RS-485总线标准进行数据传输。PC机采用研华的MOX-A CP-132UL卡，它是专为工业通讯环境设计的RS-422／485二串口卡，它支持2个独立的RS-422或RS-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-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-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，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）＝1，表示变频器1的地址为1；
P2009（USS规格化）＝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，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。
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。
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。
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