基于ARM及CPLD的煙支在線打孔控制系統設計

鄔金余，張樂年

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

中國是煙草生產及消費的大國，擁有厚實的煙民基礎。根據最新的吸煙人群分布統計，中國由于吸煙而引發疾病的人群正逐步增加，由此，降低卷煙的焦油含量已然成為煙草行業發展趨勢[1]。為此國家煙草專賣局明確提出降低煙支焦油含量的要求,要求從現在的8.5mg降低到6.5mg。而煙支在線激光打孔技術,是降焦經濟快捷、有效的手段[2]。

目前,我國所使用的煙支激光打孔設備相對落后,其控制系統主要采用單片機、DSP等單處理器來實現,而國外這樣一成套系統的價格高達50多萬歐元,加上關稅和安裝調試費用后近600多萬人民幣,如此高昂的費用讓眾生產廠商望而卻步。

針對以上問題,本文提出一種高性價比的煙支在線激光打孔控制系統,并且搭配一個相對友好的人機交互界面,實現數據的有效傳輸及系統狀態的監控。

1 系統整體結構

1.1 煙支在線激光打孔工作原理

激光器產生高能激光束,通過射線分束器實現光束分離,反射鏡作用后光束產生透射或反射,最終聚焦在煙支表面形成微小孔洞。由于待打孔的雙倍長煙支在兩相對轉動機械鼓輪作用下僅作旋轉運動而不移動,從而確保煙支打孔間距的均勻性[3]。煙支在線激光打孔工作原理如圖1所示。

1—射線分束器；2—透射率50%的反射鏡；3—聚光透鏡。圖1 煙支在線激光孔工作原理圖

1.2 系統整體框架

激光打孔控制系統通過工控機與PLC通訊,通過COM口與脈沖電路控制板通訊。

脈沖電路控制板根據上位機煙支打孔預設的參數及來自卷接機組的煙支檢測信號(脈沖信號)來實現對激光器的控制。此外,由于實際工狀復雜,現場設置的變頻器、電機等自動控制設備,會對系統產生一定的電磁干擾,因此,基于以上要求,提出如下技術指標:

1) 實現高速在線打孔功能且能適應煙機不同的實際生產速度,煙機生產速度為6 000～8 000支/分;

2) 實現高精度激光打孔,打孔的時間精度為0.1μs,誤差范圍在±1%范圍內;

3) 實現對煙支打孔時間、打孔個數、首孔位置偏移量等參數的設置、修改和保存,系統運行過程中有相關設備的狀態顯示;

4) 系統本身具備自診斷及故障報警功能,如冷卻水位的監測、水溫的監測、空氣壓力的監測、激光功率監測等。

基于以上主要技術指標,初步搭建出本系統的總體框架,本系統總體框架圖如圖2所示。

圖2 煙支在線激光打孔系統總體框架圖

2 控制系統硬件電路設計

2.1 控制系統硬件結構

煙支在線激光打孔系統整體結構較為復雜,有大量的監測功能需求,且本系統為高速系統(打孔頻率最高可達200 kHz)并對激光打孔的精度要求頗高,僅用ARM無法實現,而CPLD又兼有時序邏輯控制的良好處理能力,因此本系統采用ARM和CPLD相結合的控制方式來完成對整個系統的控制。ARM的主要功能是數據傳輸,通訊及模擬機器產生相應調試脈沖供CPLD使用, CPLD完成一系列的邏輯控制功能、數據采集運算存儲等功能。其中, ARM處理器采用某半導體公司的STM32F107VCT6, 其采用先進的AtmelCortex-M3內核,具有豐富的片上外設,工作頻率高達72 MHz。CPLD處理器采用某公司的EPM240T100C5,其具有240個邏輯單元,80個用戶I/O接口,能夠滿足本系統的需求[5]。整個系統除了ARM處理器及CPLD處理器兩個主控模塊以外,還包含激光器驅動模塊、觸摸屏驅動模塊、數字量輸入輸出模塊、編碼器驅動模塊及電源模塊等。控制系統硬件結構圖如圖3所示。

圖3 控制系統硬件結構圖

2.2 控制系統主要硬件電路設計

本系統中,ARM、CPLD及觸摸屏間均采用串口通訊。其中,觸摸屏和ARM通訊采用Modbus通訊協議,采用Max3485來實現USART的TTL與RS485電平轉換,其余部分采用RS232來實現; ARM和CPLD供電電壓均為3.3V,RS485、RS232通訊模塊及激光器驅動模塊供電電壓為5V,煙支位置檢測傳感器及按鍵、指示燈等輸入輸出模塊均采用光耦隔離,光耦的上拉電壓均為24V,指示燈的工作電壓為24V。由于通訊模塊和電源模塊較為簡單,故在此不過多贅述,主要針對硬件電路核心部分加以說明。

1) 激光器驅動電路設計

激光器正常工作只需控制ENABLE和MODULATION兩個輸入信號即可。由于其需要采用差分信號來進行傳輸 ,本設計選擇SN75174作為轉換芯片,該芯片能提供正向和負向電流限制以及熱關斷功能,從而給線路本身提供很大的保護,且非常適合在嘈雜的環境中使用,其搭配SN75173或SN75175使用時可以獲得最佳性能。激光器輸入/輸出信號電路圖如圖4所示。其中,C_RF_EN信號為CPLD發出的激光器射偏電源的使能信號,該信號與GND接地端分別串聯一個穩壓二極管和一個開關二極管,可很好地保障當輸入信號過高時防止反向電壓的沖擊并且具備很好的單向導通及隔離性能。C_RF_MOD信號為CPLD發出的激光器射偏電源的調制信號,并在SN75174供電電源和GND接地端增加0.1μf電容,降低高頻信號的干擾,提升系統工作的穩定性。

圖4 激光器輸入/輸出信號驅動原理圖

由輸出信號電路設計要求可知,激光器兩個輸出信號均采用差分輸出的方式,而控制器并不能直接接受差分信號,因此需要將差分信號轉換成單脈沖信號,選擇SN75175芯片是為了搭配SN75174,使得整個系統性能最佳。其中,C—RF—DUTY和C—RF—VSWR信號為經SN75175轉換后的單脈沖信號,該信號將連接至CPLD控制器。

2) 光電編碼器驅動模塊電路設計

本設計中利用光電編碼器實現對煙支位移(轉速)的采集,該部分硬件電路主要將光電編碼器的輸出差分信號轉換為脈沖信號,輸出一個Z相脈沖即表示新的待加工煙支已就位。此部分同樣采用芯片SN75175來實現。光電編碼器驅動模塊電路圖如圖5所示。

圖5 光電編碼器驅動模塊電路圖

3 控制系統軟件設計

3.1 ARM程序設計

ARM主要實現系統通訊和產生打孔PWM信號,其主要使用串口通信,定時器的PWM功能,I/O外部觸發等模塊。主程序流程圖及中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6 ARM主程序及中斷程序流程圖

ARM在上電后,首先進行系統、串口、GPIO口的初始化配置。系統運行時,通過Modbus協議與觸摸屏進行周期性通訊和掃描,上傳系統狀態數據至觸摸屏。當所需數據幀校驗成功時,根據其相應功能碼執行相應動作,將系統所需的打孔參數發送至CPLD,主要包含打孔個數Holes、打孔周期Pulse、首孔偏移量Offset、模擬脈沖Zcp周期Tp,模擬Zcp重復次數等。另外,當煙支到達預定打孔位置,打孔中斷標志位置位,計算PWM周期及脈寬,產生PWM信號,該信號為一個固定50%占空比的模擬Zcp信號供后續CPLD調試使用。

3.2 CPLD程序設計

CPLD主要實現煙支位置檢測傳感器信號的邏輯預處理功能,主要分為以下幾個模塊:輸入信號濾波模塊、信號周期計算模塊、延時信號輸出模塊。采用Verilog硬件描述語言設計,其硬件結構框圖如圖7所示。

圖7 CPLD程序結構框圖

系統工作時,USART通訊模塊一直處于待命狀態,當ARM數據校驗通過后,將該數據幀存儲至存儲器中供后續使用。在實際工況中低通濾波器用于剔除位置檢測傳感器可能耦合進的干擾信號,而光電編碼器輸出信號需經過較長的電纜傳輸, 通過上升沿消抖算法來實現信號的上升沿的提取。處理后的信號Zcp和時鐘信號Clk共同作用,激活信號周期計算模塊及延時信號輸出模塊,在相關計算后得到所需輸出信號的周期和脈寬。

4 系統測試

針對上述系統進行實驗,首先在觸摸屏上設置打孔所有參數：打孔個數Holes為8,Zcp信號周期Tp為2 ms,打孔時間Pulse是75 μs,延時時間Offset的值為20%,此時的占空比U=Pulse×Holes/Tp=75×8/2 000×100%=30%。然后啟動整個系統,當位置傳感器檢測到煙支傳送至打孔工位時,控制系統便實現激光打孔動作。圖8為上位機預設的對應參數值。圖9為打孔控制系統的PCB電路板實物圖。圖10為通過Modelsim仿真后的打孔控制系統信號時序圖。為更好地顯示波形效果,圖中為縮小1 000倍后的仿真波形圖,其中,Zcp為煙支位置檢測傳感器的輸入信號,Zcp1為Zcp延遲20%后輸出的信號,laser_in在預設打孔參數計算后所得的激光器打孔控制信號。

圖8 上位機參數設置圖

圖9 打孔控制系統的PCB電路板實物圖

圖10 打孔控制系統的信號時序圖

5 結語

本系統采用ARM與CPLD相結合的方式,搭配外圍的電控模塊完成對整個系統的控制及狀態監測,更好地解決了單處理器的打孔精度差及高速數據通信的問題,并將打孔時間精度提高至0.1 μs,更好地滿足煙支在線激光打孔設備的應用需求。