基于PLC和CPLD的瞬時(shí)碰撞速度檢測與應(yīng)用研究

劉國躍　廖育武　應(yīng)保勝

摘 要： 在汽車擺錘碰撞實(shí)驗(yàn)中，碰撞速度的檢測與處理是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有的一些速度采集裝置利用單片機(jī)等微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，由于軟件處理的延時(shí)往往導(dǎo)致計(jì)數(shù)精度不高、速度采集不準(zhǔn)確。利用CPLD在處理高速信號上的優(yōu)勢，提出一種基于CPLD的硬件計(jì)時(shí)電路，其時(shí)間測量的分辨率達(dá)1 μs，提高了測量的精度。并探討了與PLC之間實(shí)現(xiàn)串行通信的硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)方法，將原始值發(fā)送至PLC進(jìn)行處理，計(jì)算碰撞瞬時(shí)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法成功地實(shí)現(xiàn)了CPLD與PLC的串行通信，可以準(zhǔn)確測量瞬時(shí)速度，并且具有開發(fā)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 瞬時(shí)速度測量； CPLD； PLC； 串行通信

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0145?04

Instantaneous collision speed detection based on PLC and CPLD and its application

LIU Guoyue1， 2， LIAO Yuwu2， 3， YING Baosheng1

（1. School of Automobile and Traffic Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China；

2. School of Mechanical and Automotive Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang 441053， China；

3. The Co?innovation Center of Hubei Province of Auto Parts Manufacture Equipment Digitizing， Xiangyang 441053， China）

Abstract： In pendulum impact experiment of cars， the detection and processing of collision speed are the key factors influencing the accuracy of experimental results. Some existing speed acquisition devices have low computational accuracy and inaccurate speed acquisition due to the delay of software processing， in which the single?chip microcomputer system is used for timing. The advantage of CPLD for high?speed signal processing is adopted to propose a hardware timing circuit based on CPLD. Its resolution of time measurement can reach up to 1 μs， and the precision of time measurement is improved. The hardware connection of serial communication between CPLD and PLC and software implementation method are discussed， and the original value of CPLD is send to PLC for processing to compute the instantaneous collision speed. The experimental results show that the proposed method can implement the serial communication between CPLD and PLC successfully， and measure the instantaneous speed accurately， which has the characteristics of simple exploitation and strong anti?interference ability.

Keywords： instantaneous speed measurement； CPLD； PLC； serial communication

0 引 言

汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車車身重要的組成部件之一，它對車輛的安全性有著很大的影響。在低速碰撞過程中，要求裝在車輛前、后端的諸元件在發(fā)生接觸和輕度碰撞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致車輛的嚴(yán)重?fù)p傷。根據(jù)GB17354?1998《汽車前、后保護(hù)裝置》的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)中，要求正碰和角碰的速度[1]分別為（4±0.25）km/h，（2.5±0.1） km/h。整個(gè)碰撞過程非常短暫，因此碰撞瞬時(shí)速度的采集與處理就顯得尤為重要。

本文在汽車碰撞實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的自動(dòng)控制中，選用S7?200系列PLC作為主控制器，CPLD作為碰撞瞬時(shí)時(shí)間采集單元的核心器件。CPLD采集單元通過通信端口將采集到的原始數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC經(jīng)過運(yùn)算后將碰撞瞬時(shí)速度值實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC中。下面結(jié)合實(shí)例就CPLD單元的數(shù)據(jù)采集以及和PLC的通信實(shí)現(xiàn)做相關(guān)介紹。

1 數(shù)據(jù)采集及發(fā)送原理endprint

1.1 基于CPLD的高精度時(shí)間測量原理

高精度時(shí)間測量主要由光電檢測電路、整形電路和20位計(jì)數(shù)器組成。在碰撞瞬間擋片經(jīng)過光電二極管，由光電二極管產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)整形電路整形后作為CPLD的輸入，觸發(fā)CPLD對脈沖寬度進(jìn)行高精度計(jì)數(shù)，最終瞬時(shí)速度值為擋片寬度與計(jì)時(shí)值的比值。CPLD采集單元如圖1所示。

1.2 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

時(shí)間測量的精度直接影響到瞬時(shí)速度的精度，提高計(jì)數(shù)精度對速度的測量有著決定性作用。采用CPLD的基準(zhǔn)時(shí)鐘50 MHz晶振作為時(shí)鐘源，分頻產(chǎn)生1 MHz的脈沖，并將其作為計(jì)數(shù)脈沖源輸入，時(shí)間測量分辨率為1 μs。將光電信號經(jīng)整形后作為閘門信號控制對高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)功能通過CPLD內(nèi)部的20位計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)計(jì)數(shù)值[N]即可精確測量出擋片經(jīng)過的時(shí)間[T。]計(jì)數(shù)原理如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)發(fā)送電路設(shè)計(jì)

根據(jù)串行通信原理，將計(jì)數(shù)值逐位發(fā)送。采用CPLD的基準(zhǔn)時(shí)鐘11.059 2 MHz晶振作為時(shí)鐘源，分頻產(chǎn)生9 600 Hz的脈沖（實(shí)現(xiàn)通信速率為9 600 b/s），并將其作為數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖源輸入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 硬件構(gòu)成

2.1 EPM240T100C5N芯片

Altera公司的EPM240T100C5N芯片為100腳TQFP封裝，擁有192個(gè)宏單元，80個(gè)輸入/輸出線數(shù)，傳播延遲時(shí)間為5.9 ns，整體時(shí)鐘設(shè)定時(shí)間為2.7 ns，支持最高頻率為201.1 MHz，工作溫度范圍為0～85 ℃，輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn)為LVTTL，LVCOMS和PCI，采用3.3 V電源供電，符合本系統(tǒng)的環(huán)境需求及高速采集的需要。

2.2 ADM2582E芯片

ADM2582E包含一個(gè)集成式隔離DC/DC電源，不需要外部隔離電源模塊，是帶隔離的增強(qiáng)型RS 485收發(fā)器，具備+15 kV ESD保護(hù)功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，適用于多點(diǎn)傳輸線上的高速通信應(yīng)用。采用ADI公司的isoPowerTM技術(shù)，在單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)差分輸入接收機(jī)和一個(gè)isoPowerTM DC/DC轉(zhuǎn)換器，該器件采用5 V或3.3 V單電源供電，從而實(shí)現(xiàn)完全隔離的RS 485解決方案。實(shí)現(xiàn)將CPLD發(fā)出的TTL電平轉(zhuǎn)換為PLC能夠接受的RS 485電平的功能。

2.3 S7?200系列PLC

西門子S7?200系列PLC屬于小型整體式PLC，由于其指令豐富、操作簡便、運(yùn)行可靠和極強(qiáng)的通信功能而被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中[2]。

S7?200 PLC支持多種通信模式，如點(diǎn)對點(diǎn)接口（PPI）、多點(diǎn)接口（MPI）、Profibus、以太網(wǎng)、自由口等[3]。通信端口采用平衡驅(qū)動(dòng)、差分接收的RS 485接口標(biāo)準(zhǔn)，可以組成半雙工串行通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)。其中，在與第三方設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，就需要使用自由口通信功能。自由口通信模式是通過用戶程序控制CPU的通信操作方式，實(shí)現(xiàn)用戶自定義通信協(xié)議，可以連續(xù)地發(fā)送或接收255個(gè)字節(jié)以內(nèi)的數(shù)據(jù)。PLC利用自由口通信接收來自CPLD的數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 整形電路

為獲得規(guī)則波形，提高計(jì)數(shù)精度，需對光電輸出信號進(jìn)行整形。整形電路由NE5532構(gòu)成的比較器實(shí)現(xiàn)，將光電輸出電壓與負(fù)端電壓進(jìn)行比較整形。其中，J1為光電二極管，RESISTOR VAR為可調(diào)電阻，可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)門檻電壓實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)精度的調(diào)整，同時(shí)也降低了干擾。整形電路如圖3所示。

3.1.2 硬件連接圖

S7?200 PLC采用RS 485接口標(biāo)準(zhǔn)，接收差分信號，而CPLD芯片輸出的是TTL電平，二者電平邏輯不兼容，因此，在通信時(shí)必須先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用ADM2582E芯片將CPLD的TTL電平轉(zhuǎn)換為EIA電平，系統(tǒng)中CPLD只需向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件連接如圖4所示。

3.2 通信協(xié)議

本項(xiàng)目中由于CPLD系統(tǒng)只需將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，PLC單純地接收數(shù)據(jù)，所以采用單工串行通信。PLC采用自由口模式協(xié)議，由語句表編程實(shí)現(xiàn)。CPLD將擋片經(jīng)過光電二極管的時(shí)間值存儲(chǔ)在datau[19：0]的20 個(gè)位中，其中計(jì)數(shù)脈沖周期為1 μs，可計(jì)數(shù)時(shí)間范圍為0～220 μs，計(jì)數(shù)結(jié)束后采用觸發(fā)式逐位發(fā)送datau的每個(gè)數(shù)據(jù)的位，將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，在PLC中編寫相應(yīng)的接收程序，并進(jìn)行處理。

3.2.1 CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)格式

計(jì)數(shù)值datau[19：0]有20 個(gè)位，需要發(fā)送3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，為了接收到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，將第三個(gè)字節(jié)的高四位用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)（2#1010），數(shù)據(jù)位的發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇埃呶辉诤蟆?shù)據(jù)發(fā)送格式如圖5所示。

3.2.2 PLC接收數(shù)據(jù)格式

PLC將接收到的數(shù)據(jù)存放在以VB100開始的連續(xù)4個(gè)字節(jié)中，VB100為接收的字節(jié)數(shù)，對應(yīng)CPLD發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收格式如圖6所示。

PLC接收完成時(shí)觸發(fā)接收完成中斷，在中斷程序中校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，若正確則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，否則舍棄，不要求重發(fā)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)通信程序

CPLD采集單元在檢測到整形后的光電信號，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)并置位發(fā)送標(biāo)志位，為發(fā)送數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。光電信號消失時(shí)，開始發(fā)送計(jì)數(shù)值，發(fā)送完成計(jì)數(shù)值清零并復(fù)位發(fā)送標(biāo)志位，等待下一次計(jì)數(shù)。流程如圖7所示。

3.3.2 PLC接收數(shù)據(jù)通信程序

PLC的CPU處于STOP模式時(shí)，自由口通信停止，只有當(dāng)CPU處于RUN模式時(shí)才可用自由口通信。通過向SMB30或SMB130（前者用于設(shè)置端口0，后者用于設(shè)置端口1）相應(yīng)的位寫入1來設(shè)置自由口模式、通信速率以及數(shù)據(jù)位等。發(fā)送指令XMT啟用自由口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完成后，端口0會(huì)產(chǎn)生中斷事件9；接收指令RCV可以初始化接收信息服務(wù)，通過指定的端口接收信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在接收完成最后一個(gè)字符時(shí)，端口0產(chǎn)生中斷[4]23。endprint

本項(xiàng)目使用端口0接收CPLD發(fā)來的數(shù)據(jù)，通過特殊寄存器SMB30進(jìn)行初始設(shè)置，使用接收完成中斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)以及處理。設(shè)置通信波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位8位，無校驗(yàn)位。

PLC接收數(shù)據(jù)通信程序流程圖如圖8～圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用示波器觀察光電觸發(fā)信號的波形以及經(jīng)過整形的波形，如圖11，圖12所示，可以明顯看出整形前后的巨大區(qū)別。通過波形的整形，大大提高了計(jì)時(shí)的精度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送波形如圖13所示。

將CPLD數(shù)據(jù)采集單元與PLC進(jìn)行正確接線，并將編寫好的程序下載至PLC，利用STEP 7 Micro/WIN在線監(jiān)控，并設(shè)置擋片寬度為1.2 cm。結(jié)果如圖14所示。

計(jì)數(shù)時(shí)間為11 827 μs，計(jì)算得瞬時(shí)速度為1.014 6 m/s。

由上可知，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地接收并處理數(shù)據(jù)，滿足要求。

5 結(jié) 論

為了提高碰撞瞬時(shí)速度測量的精度，本文提出基于CPLD的高精度時(shí)間測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用1 MHz的脈沖頻率作為計(jì)數(shù)脈沖源，時(shí)間測量的分辨率可達(dá)1 μs，保證了時(shí)間測量結(jié)果的可靠性及精度。將計(jì)數(shù)值通過S7?200自由口通信發(fā)送至PLC，由PLC處理，計(jì)算碰撞瞬時(shí)速度，顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件中，簡化了項(xiàng)目的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)碰撞系統(tǒng)的全自動(dòng)化。經(jīng)測試得出整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，且采集到的數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確，滿足了碰撞實(shí)驗(yàn)中的要求，具有較好的工程應(yīng)用和參考價(jià)值。

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