基于嵌入式PLC芯片组设计的运动控制器
摘要：本文介绍了一种应用于圆网印花机控制系统的运动控制器的设计方法，其核心是利用嵌入式PLC芯片组作为主控制器，从控制器采用一片低成本的高速单片机，主从控制器组合设计，实现点动、定位、插补、电子齿轮等运动控制功能。用户可以使用标准梯形图语言进行编程，多个运动控制器通过CAN通讯接口互连，很容易组成多轴联动控制。关键词：圆网印花机、嵌入式PLC芯片组、梯形图语言、脉冲分频、SPI通讯、运动控制器
圆网印花机是一种印染后处理机电设备，对织物进行上色印花并烘干，其关键部位是印花单元。早期印花采取机械传动控制，印花精度低，机械传动噪音大，使用寿命短。20世纪90年代末，国产圆网印花机开始采用分电机独立传动控制模式，印花精度和速度大为提高。与之配套的控制系统构成方式多种多样，有单片机多机控制、计算机分布式控制、PLC控制及CAN现场总线等控制方式。
黄石市科威自控有限公司运用嵌入式PLC芯片组，生产的EASY-KP3-M0506R型运动控制器是集PLC功能、CAN总线功能于一体的运动控制部件，与步进驱动器或伺服驱动器配套使用，具有对步进电机或伺服电机进行点动、定位、脉冲正反插补、脉冲分频等功能，多个运动控制器通过CAN通讯接口互连，其中一台运动控制器作为主站，接人机界面，实现工艺集中显示、控制和管理，如配备Web服务器还可实现控制系统的远程监控和诊断。
1、 运动控制器功能要求：
· 脉冲输入：最高100KHz差分电平
· 脉冲输出：a、第一路差分输出，与输入脉冲频率相同，用于与其它运动控制器或其它设备进行串极控制。
b、第二路差分输出，频率= 输入脉冲频率/ K，其中4.000 ≤ K < ∞，小数点后有效数字为3位。
· 开关量输入输出：五路DI和6路DO。
· UART0：梯形图监控和下载接口，可接字符屏或人机界面。
· UART1：与其它设备互连或接操作终端。
· CAN：高速网络互连接口，波特率160Kbit/s。
2、 设计方案
主控制器采用嵌入式PLC芯片组，完成开关量输入输出、UART0、UART1、CAN功能。从控制器采用C8051F330单片机，指令运算速度高达25MIPS。从控制器对输入脉冲采样，接受主控制器发送的命令并进行相应的处理，输入脉冲经过分频后，输出相应频率的脉冲，并将有关信息发送给主控制器。主、从控制器之间以SPI接口连接，SPI通讯速率为1Mbit/s，这样有利于提高系统实时性。
3、 硬件总体框图
3．1、主控制器及外围电路框图
http://ftp.gongkong.com/UploadPic/Forum/2008-9/2008091614440800001.jpg
3．2、从控制器及外围接口电路框图
http://ftp.gongkong.com/UploadPic/Forum/2008-9/2008091614443400001.jpg
4、硬件功能说明
4．1、嵌入式PLC芯片组
嵌入式PLC芯片组是一种内部加载嵌入式PLC实时内核，具备PLC功能和CAN、RS232/485通讯功能，能够完成常规过程控制（如IO、AD、DA、高速输入输出）的控制模块。过程控制功能的实现使用梯形图语言编程，通讯功能只需简单设置便可完成，其它接口信号的输入输出使用汇编语言或C语言编程，大大简化了产品的设计过程。
4．2、开关量输入输出
采集开关量输入信号，输出控制信号，所有信号必须隔离，提高抗干扰性能。所有开关量输入输出信号在梯形图中都可以编程，用户根据实际需要定义每个IO点的功能和用途。
4．3、UART0
完成梯形图下载、监控、接字符屏或人机界面。
4．4、UART1
支持三菱FX2N计算机链接方式格式1的部分主从站协议，具体协议格式请参见科威公司《EASY原理及应用》一书，按照此协议可实现其它设备或操作终端与运动控制器互连，完成信息交换、参数设置、易地操作等功能。
4．5、CAN接口
加载科威公司嵌入式PLC CAN应用层协议，使用CANSET软件进行简单设置，就可实现不同运动控制器之间的互连，其它设备按照此协议也可进行互连。
4．6、从控制器及外围接口
CPU采用C8051F330，输入脉冲经过隔离、整形后进入外部中断输入口，CPU按照用户梯形图设置的分频系数，对输入脉冲进行分频，然后输出对应频率的脉冲控制步进或伺服电机。用户根据实际系统的需要，应用梯形图编程，产生相应的控制信息，如点动、定位、插补、改变分频系数等。从控制器通过SPI接口接收相应的命令后，执行相应的程序。
4．7、SPI接口
采用SPI一主一从通讯模式，ASCII码传输。
主站采用定时发送/接收模式，嵌入程序初始化时，启动SPI发送，定时时间到，先接收一字节数据，然后发送下一字节数据。当所有报文发送完成后，暂停发送等待主程序处理报文，报文处理完后启动下一轮发送。
从站采用中断接收/发送模式，进入中断服务程序后，先接收一字节数据，然后发送一字节数据，当所有报文接收完成后，对应的有相同字节的报文发送完成。此时从站停止接收报文，等待主程序处理接收到的报文，报文处理完后，才启动下一轮报文接收过程。
报文结构：STX+报文内容+ETX+CRC
STX：报文起始代码，固定为02H
报文内容：起始2个字节为命令字对应的ASCII码，以区别不同的报文，后面为报文实际数据，全部采用ASCII码
ETX：报文结束代码，固定为03H
CRC：校验和，报文内容所有字节相加后再加ETX的数值，然后转换成ASCII码。
5、软件功能
5．1、主控制器软件
由梯形图软件和嵌入程序组成，梯形图软件由用户根据功能要求编制，嵌入程序由产品设计人员编写，基本软件框架由以下七个子程序组成。
INIT-CONFIG：端口初始化程序，完成输入输出端口配置，中间变量初始化，启动SPI。
INIT-START：上电初始化程序，复位所有输出口。
INIT-SET：设置初始化程序，复位所有输出口。
INIT-RUN：运行初始化程序。
STEP：指令周期扫描程序
TMS：2.5MS周期扫描程序，采样输入口状态，刷新输出口状态，SPI通讯报文的发送和接收。
SCAN：演算周期扫描程序，输入口状态滤波，SPI通讯报文的解读。
具体请参考科威公司《EASY原理及应用》，
5．2、从控制器软件
从控制器的作用相当于一个执行机构，它接受主控制器的命令执行不同的动作，并把执行的状态反馈给主控制器，主要由以下5个功能程序组成。
START：上电复位初始化程序，输入输出端口配置，复位中间变量单元，启动SPI、INT0中断。
INT-INT0：外部中断0服务程序，对输入脉冲进行分频处理及脉冲插补。
INT-SPI：SPI中断服务程序，SPI通讯报文的接收和发送。
INT-T3：定时器T3中断服务程序，监控SPI通讯状态和主程序执行状态。
MAIN：主程序，解读SPI通讯报文，完成脉冲点动、定位功能。
6、 设计总结
本文提出了一种运用嵌入式PLC芯片组和其它高速单片机进行组合设计的思路，充分利用嵌入式PLC芯片组自身所固有的许多优越性能，设计者只专注于接口部件的软硬件设计，使产品设计流程缩短2/3的时间，可靠性易于保证。虽然该运动控制器是针对圆网印花机系统定型设计，但由于用户可采用梯形图进行编程，以实现不同的功能，所以也可运用于其它运动控制系统。运用嵌入式PLC芯片组进行组合设计是一种全新的产品设计思路，嵌入式PLC芯片组给广大的产品设计人员带来一种快捷、高效、可靠 的设计方法。
参考文献：
1.黄石科威自控有限公司 《EASY原理及应用》
2. 沈阳新华龙有限公司 《C8051F040数据手册》
3.沈阳新华龙有限公司《C8051F330数据手册》
4. 黄石科威自控有限公司 《EASY编程手册》
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