摘要：本文介紹了一種應用于圓網印花機控制系統的運動控制器的設計方法，其核心是利用嵌入式PLC芯片組作為主控制器，從控制器采用一片低成本的高速單片機，主從控制器組合設計，實現點動、定位、插補、電子齒輪等運動控制功能。用戶可以使用標準梯形圖語言進行編程，多個運動控制器通過CAN通訊接口互連，很容易組成多軸聯動控制。
關鍵詞：圓網印花機、嵌入式PLC芯片組、梯形圖語言、脈沖分頻、SPI通訊、運動控制器
圓網印花機是一種印染后處理機電設備，對織物進行上色印花并烘干，其關鍵部位是印花單元。早期印花采取機械傳動控制，印花精度低，機械傳動噪音大，使用壽命短。20世紀90年代末，國產圓網印花機開始采用分電機獨立傳動控制模式，印花精度和速度大為提高。與之配套的控制系統構成方式多種多樣，有單片機多機控制、計算機分布式控制、PLC控制及CAN現場總線等控制方式。
黃石市科威自控有限公司運用嵌入式PLC芯片組，生產的EASY-KP3-M0506R型運動控制器是集PLC功能、CAN總線功能于一體的運動控制部件，與步進驅動器或伺服驅動器配套使用，具有對步進電機或伺服電機進行點動、定位、脈沖正反插補、脈沖分頻等功能，多個運動控制器通過CAN通訊接口互連，其中一臺運動控制器作為主站，接人機界面，實現工藝集中顯示、控制和管理，如配備Web服務器還可實現控制系統的遠程監控和診斷。
1、 運動控制器功能要求：
· 脈沖輸入：最高100KHz差分電平
· 脈沖輸出：a、第一路差分輸出，與輸入脈沖頻率相同，用于與其它運動控制器或其它設備進行串極控制。
b、第二路差分輸出，頻率= 輸入脈沖頻率/ K，其中4.000 ≤ K < ∞，小數點后有效數字為3位。
· 開關量輸入輸出：五路DI和6路DO。
· UART0：梯形圖監控和下載接口，可接字符屏或人機界面。
· UART1：與其它設備互連或接操作終端。
· CAN：高速網絡互連接口，波特率160Kbit/s。
2、 設計方案
主控制器采用嵌入式PLC芯片組，完成開關量輸入輸出、UART0、UART1、CAN功能。從控制器采用C8051F330單片機，指令運算速度高達25MIPS。從控制器對輸入脈沖采樣，接受主控制器發送的命令并進行相應的處理，輸入脈沖經過分頻后，輸出相應頻率的脈沖，并將有關信息發送給主控制器。主、從控制器之間以SPI接口連接，SPI通訊速率為1Mbit/s，這樣有利于提高系統實時性。
3、 硬件總體框圖
3．1、主控制器及外圍電路框圖
3．2、從控制器及外圍接口電路框圖
4、硬件功能說明
4．1、嵌入式PLC芯片組
嵌入式PLC芯片組是一種內部加載嵌入式PLC實時內核，具備PLC功能和CAN、RS232/485通訊功能，能夠完成常規過程控制（如IO、AD、DA、高速輸入輸出）的控制模塊。過程控制功能的實現使用梯形圖語言編程，通訊功能只需簡單設置便可完成，其它接口信號的輸入輸出使用匯編語言或C語言編程，大大簡化了產品的設計過程。
4．2、開關量輸入輸出
采集開關量輸入信號，輸出控制信號，所有信號必須隔離，提高抗干擾性能。所有開關量輸入輸出信號在梯形圖中都可以編程，用戶根據實際需要定義每個IO點的功能和用途。
4．3、UART0
完成梯形圖下載、監控、接字符屏或人機界面。
4．4、UART1
支持三菱FX2N計算機鏈接方式格式1的部分主從站協議，具體協議格式請參見科威公司《EASY原理及應用》一書，按照此協議可實現其它設備或操作終端與運動控制器互連，完成信息交換、參數設置、易地操作等功能。
4．5、CAN接口
加載科威公司嵌入式PLC CAN應用層協議，使用CANSET軟件進行簡單設置，就可實現不同運動控制器之間的互連，其它設備按照此協議也可進行互連。
4．6、從控制器及外圍接口
CPU采用C8051F330，輸入脈沖經過隔離、整形后進入外部中斷輸入口，CPU按照用戶梯形圖設置的分頻系數，對輸入脈沖進行分頻，然后輸出對應頻率的脈沖控制步進或伺服電機。用戶根據實際系統的需要，應用梯形圖編程，產生相應的控制信息，如點動、定位、插補、改變分頻系數等。從控制器通過SPI接口接收相應的命令后，執行相應的程序。
4．7、SPI接口
采用SPI一主一從通訊模式，ASCII碼傳輸。
主站采用定時發送/接收模式，嵌入程序初始化時，啟動SPI發送，定時時間到，先接收一字節數據，然后發送下一字節數據。當所有報文發送完成后，暫停發送等待主程序處理報文，報文處理完后啟動下一輪發送。
從站采用中斷接收/發送模式，進入中斷服務程序后，先接收一字節數據，然后發送一字節數據，當所有報文接收完成后，對應的有相同字節的報文發送完成。此時從站停止接收報文，等待主程序處理接收到的報文，報文處理完后，才啟動下一輪報文接收過程。
報文結構：STX+報文內容+ETX+CRC
STX：報文起始代碼，固定為02H
報文內容：起始2個字節為命令字對應的ASCII碼，以區別不同的報文，后面為報文實際數據，全部采用ASCII碼
ETX：報文結束代碼，固定為03H
CRC：校驗和，報文內容所有字節相加后再加ETX的數值，然后轉換成ASCII碼。
5、軟件功能
5．1、主控制器軟件
由梯形圖軟件和嵌入程序組成，梯形圖軟件由用戶根據功能要求編制，嵌入程序由產品設計人員編寫，基本軟件框架由以下七個子程序組成。
INIT-CONFIG：端口初始化程序，完成輸入輸出端口配置，中間變量初始化，啟動SPI。
INIT-START：上電初始化程序，復位所有輸出口。
INIT-SET：設置初始化程序，復位所有輸出口。
INIT-RUN：運行初始化程序。
STEP：指令周期掃描程序
TMS：2.5MS周期掃描程序，采樣輸入口狀態，刷新輸出口狀態，SPI通訊報文的發送和接收。
SCAN：演算周期掃描程序，輸入口狀態濾波，SPI通訊報文的解讀。
具體請參考科威公司《EASY原理及應用》，
5．2、從控制器軟件
從控制器的作用相當于一個執行機構，它接受主控制器的命令執行不同的動作，并把執行的狀態反饋給主控制器，主要由以下5個功能程序組成。
START：上電復位初始化程序，輸入輸出端口配置，復位中間變量單元，啟動SPI、INT0中斷。
INT-INT0：外部中斷0服務程序，對輸入脈沖進行分頻處理及脈沖插補。
INT-SPI：SPI中斷服務程序，SPI通訊報文的接收和發送。
INT-T3：定時器T3中斷服務程序，監控SPI通訊狀態和主程序執行狀態。
MAIN：主程序，解讀SPI通訊報文，完成脈沖點動、定位功能。
6、 設計總結
本文提出了一種運用嵌入式PLC芯片組和其它高速單片機進行組合設計的思路，充分利用嵌入式PLC芯片組自身所固有的許多優越性能，設計者只專注于接口部件的軟硬件設計，使產品設計流程縮短2/3的時間，可靠性易于保證。雖然該運動控制器是針對圓網印花機系統定型設計，但由于用戶可采用梯形圖進行編程，以實現不同的功能，所以也可運用于其它運動控制系統。運用嵌入式PLC芯片組進行組合設計是一種全新的產品設計思路，嵌入式PLC芯片組給廣大的產品設計人員帶來一種快捷、高效、可靠 的設計方法。
參考文獻：
1.黃石科威自控有限公司 《EASY原理及應用》
2. 沈陽新華龍有限公司 《C8051F040數據手冊》
3.沈陽新華龍有限公司 《C8051F330數據手冊》
4. 黃石科威自控有限公司 《EASY編程手冊》
滬公網安備31010802001143號
