基于ARM和FPGA的全自动拉丝机控制系统设计

2.3 掉电数据保护电路模块

掉电数据保护电路由DS1302ZN接口电路、AT45DB021B接口电路、MAX706掉电检测电路和预警比较电路组成。

2.4 通信接口电路

全自动拉丝机系统是一种对速度控制要求高的机械设备，要求控制系统能够提供非常精确、平滑的线速度。整个系统比较复杂，控制设备繁多，各个电机之间要求很高的协调性。本系统采用4套伺服电机控制，而每套伺服电机间均有数据交换，且数据通信也要求很强的实时性，也就是要求系统具有总线通信能力。这样就要求伺服驱动器拥有非常强大的功能才能满足控制要求。

因此，在这里选择了自带CAN总线的ARM7，采用了标准的CANopen协议，能够传送和接收PDO、SDO，以满足系统对实时通信数据的要求。本系统的驱动器也集成了PROFIBUS接口，但是价格比较昂贵，采用CAN总线既满足了控制要求，又为客户节约了成本。

2.5 高速计数模块

系统扩展两路高速计数口，其中一路用来记录现场工作车速，以此计算出拉丝长度，另一路用来计算班产累计、拉丝总长、拉丝时间等工艺参数。这里采用高速光耦HCPL0611将该口扩展为高速计数口。控制器具有高速脉冲计数能力，能够采集高速脉冲信号，从而计算出进丝线速度，然后通过PDO传送给收卷伺服驱动器，该伺服驱动器根据此转速自动调节自身转速，从而达到控制线张力的目的。

2.6 人机界面模块

为了便于用户管理和操作，增加了一个拉丝机工艺参数显示设定模块，STR712F通过一路自带的UART串行口与该显示模块（触摸屏）进行通信。系统人机界面采用带有RS485通信口的Easy View系列触摸屏，通过RS485通信方式与中央控制单元连接。设置参数包括：拉丝直径、系统启动、停车、跳卷、线速度设定、收卷点动、断线保护有效、防护罩有效、报警、PID参数等。通过该模块可控制拉丝长度和时间，实现定长或定时收丝。利用该模块还可直接对CPU内的计时器、计数器、变量存储器等进行访问。在系统出现报警时，触摸屏上可及时显示系统的故障，方便用户及时排除，提高了对生产设备的管理和操作的效率。

2.7 电平转换模块

本系统内各个模块供电电压有24 V、5 V、3.3 V、1.5 V等，因此，设计了专门的电平转换电路，这里采用低功耗正向电压调节器D2405S/2 W，它有很低的静态电流，性能价格比高。

2.8 其他部分电路设计

除了以上讨论的几部分电路外，由于是变频器驱动机械工作，故设计了变频调速通信模块；同时考虑到现场恶劣的生产环境，采用了一系列抗干扰技术，如硬件上采用光电输入输出隔离、继电器线圈RC吸收等。为了保证数据和程序有足够的存放空间，通过I2C总线扩展了一个外部EEPROM。

3 软件设计

本系统程序采用模块化设计，以有利于系统升级和替代。主要模块有准备模块、系统初始化模块、张力控制模块、传感器信号采集模块、计算处理模块、故障及报警模块、通信模块、数据存储模块等，其中张力控制模块是本设备程序设计的关键而且是难点，它包括采样模块、计算处理模块、输出模块和调整模块。整个过程比较复杂，涉及到汇编程序、C语言程序、驱动程序、调试程序等。控制程序流程图如图4所示。

本系统采用CAN总线通信，增强了系统的抗干扰能力；伺服内部算法自动计算自身转速，系统响应及时，张力控制得当。本系统支持串口设备，便于人机交互，整个系统可移植性强，对国内拉丝机控制系统的发展具有一定推动作用。该系统带来了效率（拉丝速度）、质量（拉丝直径）的提高，同时也降低了系统综合成本。系统已成功应用于工业现场并能够长时间稳定运行，能自动检错，易于升级。运行结果表明，它的控制性能可以与PLC控制系统相媲美。