0 引言

　　隨著我國制造業的飛速發展，對機加配件的加工精度和生產效率的要求越來越高，對企業生產過程的自動化程度也提出了很高的要求。棒料是各種模鍛件、輥鍛件、輾壓件生產用的主要原料，而棒料剪斷機就是為這些鍛壓工藝準備坯料的剪切下料設備。早期的剪切系統電氣控制普遍采用交流接觸器和繼電器進行控制，經過長年使用，部件老化，設備故障頻發。在維護中由于分立元件眾多，集成度差，許多故障不能及時處理，給企業生產帶來諸多不便。

　　由于PLC伺服控制系統具有定位精度高、響應速度快、抗干擾能力強、運行平穩等特性，采用可編程序控制器(PLC)控制系統的高精度自動剪切生產線的應用越來越廣泛。但PLC還是軟PLC技術，都有實時性不強的缺點，很難實現復雜、快速的時序控制，而且對網絡的支持能力較差，因此，在需要對傳感器信號進行高速A/D轉換、實時采樣以及實現企業生產過程智能化、信息化、網絡化管理時，PLC就不適用了。而基于ARM嵌入式系統的出現，為工業控制提供了更好的開發與應用平臺。它外設資源豐富，具備各種接口，同時提供可擴展接口，擴展方便;采用嵌入式實時操作系統，具有強大的軟件處理能力，可實現復雜控制;具有PC機的諸多特點，同時又比PC機和工控機價格低;軟硬件(包括操作系統)可裁剪、配置靈活;支持大屏幕液晶顯示，可提供可視化界面顯示;具備聯網能力，可通過直接通過網口接入本地局域網或遠程網，為生產的遠程實時監控和管理提供了可能。

　　基于以上比較，本文提出一種基于ARM的嵌入式棒料剪切生產線數控系統，該系統以ARM處理器為核心，搭載嵌入式Linux操作系統，具有可擴展的輸入、輸出控制I/O節點及多種現場總線接口、能實現剪切自動控制、擋料器控制、自動翻轉送料架控制、提高棒料加工精度;支持大尺寸LCD顯示屏，支持網絡和嵌入式數據庫，智能性、實時性好，方便生產過程協調監管、監控，嵌入式數據庫能夠實現加工數據的有效管理，可自動完成加工軌跡的各種調整與控制，實現自適應的模型參數調整。

1 總體設計

　　整個剪切生產線系統包括中心控制機、切割系統、擋料器和自動翻轉送料系統。

　　實際的電氣部件包括操作臺按鈕、顯示燈，各種控制開關及電動機。其中操作臺包括旋轉編碼器、自鎖式按鈕、普通按鈕、鑰匙按鈕、二位置旋轉按鈕、轉換開關、計數器、顯示燈;控制開關包括接近開關，壓力開關，液位開關，行程開關，凸輪開關，光電開關;電磁閥，交流繼電器，交流接觸器;電機包括主電動機、出料電機、擋板電機、潤滑電機。此外還有變壓器、斷路器及噪聲濾波器等部件。

2 中控機系統

　　該中控系統以ARM9核心板為中心，通過GPIO擴展板將有限的輸入輸出I/O擴展成足夠數量的輸入輸出控制節點，能夠接收系統中各種按鈕、凸輪開關、光電開關等輸入開關信號;根據程序和預先設定的參數，給出輸出開關量，控制電磁閥、繼電器、接觸器的動作，同時通過高速脈沖輸出向伺服驅動器發出一定數量的脈沖數，控制伺服電機的運轉。輸入及輸出接口都使用光電隔離模塊，既實現了抗干擾的目的，又能夠實現對接口部分的電平轉換。根據ARM輸出端信號，變頻器控制電動機的正反轉及轉速，從而實現對卷料的釋放和回收。伺服驅動器根據ARM板高速脈沖輸出端發出脈沖的個數、頻率控制伺服電機的轉動位置及速度，從而精確地給出送料長度。采用10英寸液晶顯示屏，為用戶提供了良好的人機交互界面，用戶可以通過該屏幕直接設定參數，整個剪切系統的工作狀態、動作信息可以直觀地反映給用戶。ARM與變頻器、伺服器之間通過RS232串口通信，實現程序下載、參數設置、狀態查詢等即時的數據交換，最終使整個生產線設備能夠協調運行。

　　2.1 ARM核心板

　　ARM核心板基于ARM處理器S3C2410X，采用6層板設計。S3C2410X使用ARM920T核，內部帶有全性能的MMU(內存處理單元)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優良特性。該芯片集成了大量的功能單元，包括:內部1.8V，存儲器3.3V，外部I/O3.3V，MMU;內置外部存儲器控制器;LCD控制器，1個LCD專用DMA;4路帶外部請求線的DMA;3個通用異步串行端口，2通道SPI;一個多主IIC總線，一個IIS總線控制器;SD主接口版本1．0和多媒體卡協議版本2．11兼容;2個USBHOST，一個USBDEVICE(V1．1);4個PWM定時器和一個內部定時器;看門狗定時器;117個通用I/O;24個外部中斷;電源控制模式:標準、慢速、休眠、掉電;8通道10位ADC和觸摸屏接口;16/32位RISC體系結構，使用ARM920TCPU核的強大指令集。

　　該核心板在盡可能小的板面上集成了64MSDRAM、64MNandFlash、1MBootFlash、RJ－45網卡、音頻輸入與輸出、USBHost、USBSlave、標準串口等設備接口，最為重要的是使用2.0mm插針槽引出CPU的大部分信號引腳，包括系統中尚未使用的GPIO引腳。

　　ARM920T帶MMU的先進的體系結構支持WINCE、EPOC32、LINUX等，文中選擇的是免費開源的嵌入式Linux操作系統?；谠撚布脚_及嵌入式Linux，做了操作系統移植、驅動程序編寫和應用程序開發等軟件工作。

　　2.2 控制母板

　　中控機箱內采用母板+ARM核心板+I/O擴展板方式，母板用來與ARM9板連接，實現網口USB、串口、電壓轉換、連接液晶屏等功能，同時在母板上還包括一定數量的可用的GPIO，包括10個輸入，12個輸出。I/O輸入輸出選用DB頭接插件，方便連接。中控機內的開關電源為24V，電流可達4A．電源電路實現24V電壓到12V/9V/5V/3.3V的轉換，滿足不同電路需要，穩壓芯片使用LM338。ARM9核心板自身帶有3個RS232串行接口，考慮到傳輸距離和抗干擾要求，在底板上設計了專門的轉換模塊將RS232轉換為RS485電平。ARM9核心板自帶USBHOST，使用USBHUB將其分為多路，分別可供鍵盤電路和鼠標使用，其他路向外輸出。

　　2.3 GPIO擴展及隔離

　　GPIO擴展及隔離電路被設計到獨立的電路板，用來實現I/O端口數量的擴展，可互換。每塊擴展板上包括64個輸入，64個輸出。擴展板放在母板上方，用金屬柱支撐，高度能保證二者不干涉即可。擴展板與母板之間以扁平電纜連接。擴展板的擴展I/O輸入輸出也選用DB頭接插件。GPIO擴展有2種方案。一種是采用CPLD擴展，目前ARM板可使用的I/O口，大約有20個。如果用最簡單的擴展方法，使用8個I/O用作數據線，使用4個I/O產生16個譯碼片選信號，這樣可擴展成128個I/O。如果對外部按鍵采用掃描方式，那么可以節約一部分引腳。該方案只要ARM確保提供一定數量的I/O腳，具有較大可行性。ARM針對普通的I/O口操作既可，編程控制起來較容易，但在CPLD的編程上要花一些時間。第二種方案為使用專用擴展芯片實現擴展。現有ARM板擴展口中有2種串行總線接口:IIC總線和SPI總線。如果選用現成的I/O擴展芯片，如MAX6957，為IIC接口，一片可以擴展28個I/O，如果用4片就可以擴展到100多個I/O。該方案需要開發ARM的針對IIC設備的驅動程序。文中實際選用的是74HC595及74HC166芯片，多片串聯，使用較少的I/O引腳成功實現并入串出和串入并出控制。

　　GPIO實現擴展后，可提供足夠數量的輸入I/O和輸出I/O。系統中的大量開關或顯示燈，作為開關量輸入或輸出，連接到這些擴展I/O即可。由于這些開關量的電平值大部分不是TTL電平或CMOS電平，需要進行電平轉換;顯示燈需要足夠的驅動電流，繼電器需要一定的驅動電壓和電流;而且，系統中有大量的強電信號，為充分考慮提高系統的抗干擾能力?；谝陨峡紤]，設計了電氣隔離及驅動模塊，普通的較慢變換的開關信號采用TLP521隔離光耦，針對高速脈沖采用高速光耦。

　　2.4 電機控制

　　根據ARM板輸出端信號，變頻器控制電動機的正反轉及轉速，從而實現對卷料的釋放和回收。

　　對變頻器來說，輸入控制信號來自于隔離擴展板，通過設置不同的短路和開路組合，可以實現正轉、反轉、高速輸出及低速輸出，其中高速、低速是可以通過速度選擇端口來預設的。其他有關特征、狀態的參數可以通過操作面板預設。

3 數控系統軟件設計

　　數控系統軟件要實現用戶接口、剪切控制、故障檢測、數據庫管理、聯網等功能，由于系統軟件引入嵌入式操作系統，所以各任務可以并行執行，任務間可以通過消息傳遞、隊列等實現，軟件流程圖見圖3。由于篇幅所限，僅畫出用戶接口、剪切控制、故障檢測3個任務的流程，省略數據庫管理、聯網兩個模塊。為實現用戶接口、剪切控制、故障檢測、數據庫管理、聯網等功能，需要對嵌入式操作系統及Bootloader移植、驅動程序開發、應用層剪切控制程序軟件開發及數據庫開發幾個部分進行研究，從而支撐整個系統軟件流程，實現系統功能。

　　3.1 嵌入式操作系統及Bootloader的移植

　　Linux移植就是根據具體目標平臺，對原有Linux的源碼進行必要的改寫，主要是修改體系結構相關部分，安裝到目標平臺，使其正確運行起來。為了引導操作系統，必須依賴Bootloader在上電初始化硬件設備，準備軟件環境，因此，在項目中，以ARM9硬件系統為平臺，選擇VIVI作為Bootloader，完成了Bootloader和嵌入式Linux操作系統的移植。

　　其基本過程是:

　　(1)獲得VIVI源碼并對其進行修改;

　　(2)獲得Linux2．4．18內核源碼及該版本針對ARM的補丁，并對源碼進行必要的修改;

　　(3)準備交叉編譯環境。交叉編譯環境工具鏈一般包括Binutils工具，ARM－GCC，GLIBC等;

　　(4)交叉編譯Bootloader，生成映像文件并下載;

　　(5)增加GPIO等外設驅動;

　　(6)交叉編譯Linux內核，生成內核映像文件，并下載內核映像文件。

　　3.2 驅動程序及通訊程序開發

　　根據實際需要，以ARM9為核心，研制系統主板，并針對實際需求進行硬件驅動程序開發。其中GPIO驅動程序既包括對按鍵、LED顯示的支持，也包括對繼電器控制等I/O的支持。在編譯內核時，選擇在需要時動態插入內核，增加靈活性。針對跨平臺通訊，編制代碼轉換程序，并對Linux操作系統環境進行配置，完成上位機GB2312編碼與下位機AMR9—LinuxQTEUNICODE編碼間代碼格式轉換;系統軟件支持10英寸DSTNLCD及TFT真彩LCD，采用嵌入式圖形系統之Qt/EmbeddedC++進行程序開發，以便于跨平臺移植、方便數據庫連接和開發過程，并增加了產品的可靠性。

　　3.3 剪切控制程序

　　3.3.1 系統控制要求

　　(1)運行方式。生產線各主要設備具有手動/自動兩種工作方式。當采用自動工作方式時，系統將按預先設定的工藝流程不間斷地循環工作。而手動工作方式是在設備單動、調試和檢修階段使用。

　　(2)實時顯示。系統中各個工序的運行情況、報警信息、送料長度、質量和加工工件數量等信息都要求在屏幕上顯示。

　　(3)故障檢測。系統能夠自動檢測各個工序的運行是否正常，如果出現異常，在屏幕上顯示錯誤信息，同時生產線停止運行。故障解除后按啟動按鈕生產線繼續運行。

　　(4)緊急停止。當出現緊急情況時，一按下急停按鈕，所有正在運行的設備全部停止。

　　(5)安全保護。在程序設計過程中，對關鍵環節設置多重防護，避免人身及設備事故的發生。系統上電后將自動啟動。

　　3.3.2 基本操作

　　初次運行，將控制臺的聯機－脫機狀態切換至脫機狀態，手動按控制臺上的定尺+/定尺－，控制擋料器運動到原點。通過系統校零，并輸入棒料直徑、重量補償、比重、擋料原點等值后，系統將自動計算出需要剪切的長度值并顯示出來。當按下自動補償，系統將調整擋料器位置，當計算長度與實際長度一致時，發出同步信號，同步輸出燈變綠，機床可進行剪切動作了。此外，系統還可通過重量補償，使棒料剪切更加精確。系統控制開始為正轉高速工作狀態，當快接近目標時改為低速正轉工作狀態;系統在工作時，實時監控擋料器的位置，每當擋料器發生串動后，數控機自動進行調整，并設有“急停”按鍵，停止機床的工作;系統能夠自動濾掉錯誤操作。

　　3.4 嵌入式數據庫

　　嵌入式數據庫采用關系型數據庫的三級模式，支持標準SQL，支持數據查詢、插入、更新、刪除多種標準的SQL語句，充分滿足嵌入式應用開發的需求;具有事務處理功能，自動維護事務的完整性、原子性等特性;支持多種通訊協議，備份和恢復，錯誤日志等;具有高的靈活性、可擴展性及穩定性;同時為嵌入式應用的開發提供了靈活的應用編程接口:C語言例行程序接口，內存需求低，且具有較高的執行效率。目前很多嵌入式設備是依靠數據為中心的，如果只有文件系統，在并發、共享、結構化存取上無結構，全依賴操作系統和文件系統，是遠遠不夠的。因此，采用嵌入式數據庫，完成工業控制數據的采集、存儲，及指令存儲與下達，實現控制機方便快捷移動、大數據量存儲、當前和歷史數據查詢。通過采集數控網絡系統的數據，完成機床加工程序的實時還原，根據反饋信息制定新的解決方案，為質量管理的分析提供原始依據。實現了管理信息與控制信息融合。通過JNI的方式調用C/C++編寫的數據庫驅動動態連接庫(DLL)進行數據操作，解決嵌入式數據庫不提供Java的JDBC數據訪問接口問題。

4 結論

　　文中采用了高性價比的嵌入式處理器ARM9，替換了老式工業控制微機，進行了Linux操作系統裁剪移植、自主開發硬件控制驅動程序，采用TCP/IP協議，美觀優雅的QT用戶圖形界面以及符合國際標準SQL的嵌入式數據庫。應用了該數控技術的剪切系統，具有較強的高速數據采集和多種直接I/O節點控制能力，可以實現任意設定加工參數，既具備PC數控機床的信息處理、存儲、網絡傳輸能力，又滿足了精度高、體積小、功耗低的現代工控理念，是對現有的數控技術的一次技術革新。