前言

        全电动立式注塑机控制系统是一个多任务的控制系统,它需要处理大量的信息,如将嵌入式控制与其有机结合,能使全电动立式注塑机控制系统的结构更紧凑,控制效果更好,稳定性更高。近年来,以ARM微处理器为硬件平台和以Linux操作系统为软件核心组合而成的嵌入式系统受到国内外广泛的关注。根据全电动立式注塑机的控制性能要求,本文设计了以ARM9控制模块为核心的通信模式和硬件结构,以及利用Linux操作系统实现上位机软件设计和达到工艺控制要求。

        1  全电动立式注塑机的特点

        自1983年日本FANUC公司研制出该公司的第一台全电动式精密立式注塑机以来,全电动立式注塑机得到了飞速发展,特别是随着伺服电机的控制技术的不断发展和大功率伺服电机的出现。全电动立式注塑机整体结构,通常采用多台AC伺服电动机,配以滚珠丝杠、同步带或齿条、齿轮等元器件来驱动各个运动机构,它摒弃了传统液压驱动立式注塑机存在的油压控制损失、管损、阀阻等流动损失及油泵容积效率、摩擦损失等缺陷,其最为突出的特点是采用了功率电子器件和控制技术进行操作运转。

        全电动立式注塑机控制的关键在于伺服电机的控制系统设计。如何实现伺服电机的快速起停,超低速运转(保压补缩阶段),精确的位置定位等等,都直接影响着注塑精度、制品质量和生产效率。在各种控制器中,ARM9处理器在高性能和低功耗特性方面具有最佳性能,特别是支持WindowsCE,Linux,PalmOS等多种主流嵌入式操作系统,支持实时操作以及具有更高的信息处理能力;而Linux是一个多进程的操作系统,它能够让进程一直在系统的每一个CPU上运行,充分利用CPU。

        2  控制系统硬件模块

        全电动立式注塑机控制系统总体硬件结构包括上位机控制器和下位机控制器。上位控制器有三大主要功能:设定控制参数和目标、显示控制结果、协调机器各环节的动作顺序(LCD液晶显示模块、键盘处理模块、RS232串口通讯模块、RS485通讯模块、IIC通讯模块、I/O口通讯模块等);下位机控制器(伺服电机DSP驱动模块、立式注塑机通用I/O及温度控制模块、RS485通讯模块等)。

        具体实现方案如下:

        ①上位机控制模块:控制单元的主处理器ARM9采用Samsung公司的s3c2410,片上运行Linux操作系统,负责串口、IIC、LCD、GPIO、以太网和USB接口的处理,实现文件系统、多任务调度、人机界面、键盘输入处理、IIC和RS485总线控制、温度控制、伺服外部反馈闭环控制和工艺流程控制等功能。

        ②伺服电机DSP驱动模块:驱动器采用Panasonic公司的AC伺服电机驱动器MINASA4系列,采用高性能DSP处理器,该模块负责四个伺服电机的驱动、开闭环控制和电机运行参数的监测等实现,通过RS485/232接口与ARM9进行通信。

        ③MCU+GPIO模块:MCU采用Microchip公司的PIC16F877A。此单元负责位置模式的脉冲指令输出、DAC模拟指令输出、DSP驱动器I/O口控制等。

        ④通用IO及温度控制模块:采用Microchip公司的单片机PIC16F877A,负责外部I/O信号处理、温度反馈控制、电子光栅尺信号采集等任务,通过IIC与ARM9通信。

        ⑤键盘输入模块:采用Microchip公司的单片机PIC16F877A,负责键盘信号处理,通过串行口RS232与ARM9通信。

        3  上位机控制器软件设计

        嵌入式系统和Linux的有机结合,不仅继承了Linux源代码开放,内核稳定高效,应用软件丰富,强大的网络支持,而且还具备嵌入式设备硬件平台小型化,成本低等特点,已成为众多领域中普遍的应用模式。全电动立式注塑机控制系统的主软件模块是一个比较复杂的嵌入式软件系统,包括底层硬件驱动程序、嵌入式Linux操作系统、数据库、图形库、上层应用程序等。在本设计中,上层应用程序划分成以下任务:人机界面任务、输入扫描任务、键盘处理任务、故障报警任务、温度控制任务、工艺动作任务(包括开合模任务、熔胶任务、射胶任务、顶出任务、调模任务和射台移动任务等)。

        上位机的软件主要完成全电动立式注塑机的工艺控制。这些工艺由合模、射台前进、注射保压、预塑计量、冷却、开模、顶出制品等程序组成。各任务都是运行在Linux环境下,而Linux的设备文件是同硬件一一对应,对设备的操作可以通过对设备文件的操作来实现。它通过对标准的系统函数调用,如open(),read(),write(),close()等,再通过结构体file_operation调用驱动程序中can_open(),can_read(),can_write(),can_close()等函数,来实现操作硬件的功能。为完成整个控制系统的任务,控制系统中ARM9作为数据发送和接受的主动方与I/O板控制器之间通过IIC协议进行通信,任务之间利用Linux的进程通信和同步机制进行通信和同步。

        4  Linux多进程多线程通信机制的应用

        进程是指任务的一次运行过程,其执行环境是一个系统资源的集合,这些资源在Linux中被抽象成各种数据对象如文件系统、文件I/O、信号处理函数等。进程在内存中有其完备的数据空间和代码空间,即一个进程所拥有的数据和变量只属于它自己。进程的状态有可运行状态、不可中断阻塞状态、可中断阻塞状态、挂起状态、僵尸状态等。立式注塑机的主要工艺动作有合模、注射、开模、顶出、熔胶等,这些都是控制系统的基本任务,还有大量的I/O控制和通信总线控制任务,加上人机界面和键盘处理任务。所以采用Linux操作系统下的多进程多线程通信机制,设计出符合多个合理进程的应用程序,按要求实现各个任务,从而满足全自动和半自动模式下的程序设计。

        5  结语

        基于ARM9-Linux的全电动立式注塑机控制系统,能够使全电动立式注塑机多任务分配更加合理,保证了控制系统的实时性和稳定性。这种控制方式将在全电动立式注塑机控制系统设计与研究中得到进一步应用。本文作者的创新点:在全电动立式注塑机伺服控制系统中采用ARM9-Linux这种控制方法,充分利用了ARM9内核资源,并采用Linux多线程机制使该伺服控制系统更加优化。