基于ARM及CPLD的煙支在線打孔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄔金余，張樂年

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

中國是煙草生產(chǎn)及消費(fèi)的大國，擁有厚實(shí)的煙民基礎(chǔ)。根據(jù)最新的吸煙人群分布統(tǒng)計(jì)，中國由于吸煙而引發(fā)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(yè)發(fā)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(xiàn)在的8.5mg降低到6.5mg。而煙支在線激光打孔技術(shù),是降焦經(jīng)濟(jì)快捷、有效的手段[2]。

目前,我國所使用的煙支激光打孔設(shè)備相對落后,其控制系統(tǒng)主要采用單片機(jī)、DSP等單處理器來實(shí)現(xiàn),而國外這樣一成套系統(tǒng)的價(jià)格高達(dá)50多萬歐元,加上關(guān)稅和安裝調(diào)試費(fèi)用后近600多萬人民幣,如此高昂的費(fèi)用讓眾生產(chǎn)廠商望而卻步。

針對以上問題,本文提出一種高性價(jià)比的煙支在線激光打孔控制系統(tǒng),并且搭配一個(gè)相對友好的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸及系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 煙支在線激光打孔工作原理

激光器產(chǎn)生高能激光束,通過射線分束器實(shí)現(xiàn)光束分離,反射鏡作用后光束產(chǎn)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(zhuǎn)動機(jī)械鼓輪作用下僅作旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(tǒng)整體框架

激光打孔控制系統(tǒng)通過工控機(jī)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(jù)上位機(jī)煙支打孔預(yù)設(shè)的參數(shù)及來自卷接機(jī)組的煙支檢測信號(脈沖信號)來實(shí)現(xiàn)對激光器的控制。此外,由于實(shí)際工狀復(fù)雜,現(xiàn)場設(shè)置的變頻器、電機(jī)等自動控制設(shè)備,會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的電磁干擾,因此,基于以上要求,提出如下技術(shù)指標(biāo):

1) 實(shí)現(xiàn)高速在線打孔功能且能適應(yīng)煙機(jī)不同的實(shí)際生產(chǎn)速度,煙機(jī)生產(chǎn)速度為6 000～8 000支/分;

2) 實(shí)現(xiàn)高精度激光打孔,打孔的時(shí)間精度為0.1μs,誤差范圍在±1%范圍內(nèi);

3) 實(shí)現(xiàn)對煙支打孔時(shí)間、打孔個(gè)數(shù)、首孔位置偏移量等參數(shù)的設(shè)置、修改和保存,系統(tǒng)運(yùn)行過程中有相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)顯示;

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

基于以上主要技術(shù)指標(biāo),初步搭建出本系統(tǒng)的總體框架,本系統(tǒng)總體框架圖如圖2所示。

圖2 煙支在線激光打孔系統(tǒng)總體框架圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

煙支在線激光打孔系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,有大量的監(jiān)測功能需求,且本系統(tǒng)為高速系統(tǒng)(打孔頻率最高可達(dá)200 kHz)并對激光打孔的精度要求頗高,僅用ARM無法實(shí)現(xiàn),而CPLD又兼有時(shí)序邏輯控制的良好處理能力,因此本系統(tǒng)采用ARM和CPLD相結(jié)合的控制方式來完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制。ARM的主要功能是數(shù)據(jù)傳輸,通訊及模擬機(jī)器產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)試脈沖供CPLD使用, CPLD完成一系列的邏輯控制功能、數(shù)據(jù)采集運(yùn)算存儲等功能。其中, ARM處理器采用某半導(dǎo)體公司的STM32F107VCT6, 其采用先進(jìn)的AtmelCortex-M3內(nèi)核,具有豐富的片上外設(shè),工作頻率高達(dá)72 MHz。CPLD處理器采用某公司的EPM240T100C5,其具有240個(gè)邏輯單元,80個(gè)用戶I/O接口,能夠滿足本系統(tǒng)的需求[5]。整個(gè)系統(tǒng)除了ARM處理器及CPLD處理器兩個(gè)主控模塊以外,還包含激光器驅(qū)動模塊、觸摸屏驅(qū)動模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、編碼器驅(qū)動模塊及電源模塊等。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(xié)議,采用Max3485來實(shí)現(xiàn)USART的TTL與RS485電平轉(zhuǎn)換,其余部分采用RS232來實(shí)現(xiàn); ARM和CPLD供電電壓均為3.3V,RS485、RS232通訊模塊及激光器驅(qū)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(qū)動電路設(shè)計(jì)

激光器正常工作只需控制ENABLE和MODULATION兩個(gè)輸入信號即可。由于其需要采用差分信號來進(jìn)行傳輸 ,本設(shè)計(jì)選擇SN75174作為轉(zhuǎn)換芯片,該芯片能提供正向和負(fù)向電流限制以及熱關(guān)斷功能,從而給線路本身提供很大的保護(hù),且非常適合在嘈雜的環(huán)境中使用,其搭配SN75173或SN75175使用時(shí)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(fā)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(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)開關(guān)二極管,可很好地保障當(dāng)輸入信號過高時(shí)防止反向電壓的沖擊并且具備很好的單向?qū)案綦x性能。C_RF_MOD信號為CPLD發(fā)出的激光器射偏電源的調(diào)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(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

圖4 激光器輸入/輸出信號驅(qū)動原理圖

由輸出信號電路設(shè)計(jì)要求可知,激光器兩個(gè)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(zhuǎn)換成單脈沖信號,選擇SN75175芯片是為了搭配SN75174,使得整個(gè)系統(tǒng)性能最佳。其中,C—RF—DUTY和C—RF—VSWR信號為經(jīng)SN75175轉(zhuǎn)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(qū)動模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中利用光電編碼器實(shí)現(xiàn)對煙支位移(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為脈沖信號,輸出一個(gè)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(shí)現(xiàn)。光電編碼器驅(qū)動模塊電路圖如圖5所示。

圖5 光電編碼器驅(qū)動模塊電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM程序設(shè)計(jì)

ARM主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通訊和產(chǎn)生打孔PWM信號,其主要使用串口通信,定時(shí)器的PWM功能,I/O外部觸發(fā)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(jìn)行系統(tǒng)、串口、GPIO口的初始化配置。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過Modbus協(xié)議與觸摸屏進(jìn)行周期性通訊和掃描,上傳系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)至觸摸屏。當(dāng)所需數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)成功時(shí),根據(jù)其相應(yīng)功能碼執(zhí)行相應(yīng)動作,將系統(tǒng)所需的打孔參數(shù)發(fā)送至CPLD,主要包含打孔個(gè)數(shù)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(fù)次數(shù)等。另外,當(dāng)煙支到達(dá)預(yù)定打孔位置,打孔中斷標(biāo)志位置位,計(jì)算PWM周期及脈寬,產(chǎn)生PWM信號,該信號為一個(gè)固定50%占空比的模擬Zcp信號供后續(xù)CPLD調(diào)試使用。

3.2 CPLD程序設(shè)計(jì)

CPLD主要實(shí)現(xiàn)煙支位置檢測傳感器信號的邏輯預(yù)處理功能,主要分為以下幾個(gè)模塊:輸入信號濾波模塊、信號周期計(jì)算模塊、延時(shí)信號輸出模塊。采用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì),其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 CPLD程序結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作時(shí),USART通訊模塊一直處于待命狀態(tài),當(dāng)ARM數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過后,將該數(shù)據(jù)幀存儲至存儲器中供后續(xù)使用。在實(shí)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(jìn)的干擾信號,而光電編碼器輸出信號需經(jīng)過較長的電纜傳輸, 通過上升沿消抖算法來實(shí)現(xiàn)信號的上升沿的提取。處理后的信號Zcp和時(shí)鐘信號Clk共同作用,激活信號周期計(jì)算模塊及延時(shí)信號輸出模塊,在相關(guān)計(jì)算后得到所需輸出信號的周期和脈寬。

4 系統(tǒng)測試

針對上述系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),首先在觸摸屏上設(shè)置打孔所有參數(shù)：打孔個(gè)數(shù)Holes為8,Zcp信號周期Tp為2 ms,打孔時(shí)間Pulse是75 μs,延時(shí)時(shí)間Offset的值為20%,此時(shí)的占空比U=Pulse×Holes/Tp=75×8/2 000×100%=30%。然后啟動整個(gè)系統(tǒng),當(dāng)位置傳感器檢測到煙支傳送至打孔工位時(shí),控制系統(tǒng)便實(shí)現(xiàn)激光打孔動作。圖8為上位機(jī)預(yù)設(shè)的對應(yīng)參數(shù)值。圖9為打孔控制系統(tǒng)的PCB電路板實(shí)物圖。圖10為通過Modelsim仿真后的打孔控制系統(tǒng)信號時(shí)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(yù)設(shè)打孔參數(shù)計(jì)算后所得的激光器打孔控制信號。

圖8 上位機(jī)參數(shù)設(shè)置圖

圖9 打孔控制系統(tǒng)的PCB電路板實(shí)物圖

圖10 打孔控制系統(tǒng)的信號時(shí)序圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用ARM與CPLD相結(jié)合的方式,搭配外圍的電控模塊完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制及狀態(tài)監(jiān)測,更好地解決了單處理器的打孔精度差及高速數(shù)據(jù)通信的問題,并將打孔時(shí)間精度提高至0.1 μs,更好地滿足煙支在線激光打孔設(shè)備的應(yīng)用需求。