基于ARM的粉料自動倉庫智能控制節(jié)點開發(fā)

1、基于ARM的粉料自動倉庫智能控制節(jié)點開發(fā)    摘要: 基于ARM7芯片LPC2132和功率驅動芯片A3977，設計了一種兩軸運動控制卡。給出了該運動控制卡硬件組成以及通訊協(xié)議、插補算法等具體實現(xiàn)方案。描述了所設計的粉末物料自動化倉庫關鍵功能的實現(xiàn)方式，以及該運動控制卡作為智能節(jié)點在此對象中的實際應用情況。關鍵詞: 運動控制卡；智能節(jié)點；S曲線規(guī)劃 0 引言    本文設計了粉末自動化倉庫，其目的是為了實現(xiàn)多種粉末狀物料的存儲以及自動輸送。區(qū)別于一般分散物料的自動化倉庫，粉體物料的存取過程不是以貨格為單位

2、進行操作，而是以一定數(shù)目的儲罐來保存物料，每次取貨操作只取一個儲罐中指定量的物料；存貨過程現(xiàn)采用人工將空罐用裝滿物料的罐替代的方式。在這種工作模式下，將只需要AGV而省略堆垛系統(tǒng)，但是粉末的輸出系統(tǒng)將必須具有計量的功能，同時，儲罐的更換過程也要求簡單快捷1。    本文中，使用一套2自由度的下料機構來實現(xiàn)粉末的計量，使用絲桿提升機構來實現(xiàn)儲罐的升降以方便加料操作。控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)，以智能節(jié)點為控制單元來實現(xiàn)所需動作。本文設計了一種基于ARM微處理器的兩軸運動控制卡，集成了通訊、運動控制以及步進電機驅動等功能，可以作為智能節(jié)點接受主控制系統(tǒng)指

3、令，直接驅動步進電機運行并采集和處理某些過程變量。與現(xiàn)有步進電機控制系統(tǒng)相比，本運動控制卡具有結構緊湊，線路簡單，集成度高，使用方便等特點。1 智能運動控制卡硬件平臺    運動控制卡中使用一塊LPC2132芯片作為CPU來完成系統(tǒng)的通訊、指令解析、控制結構以及插補等功能。CPU產(chǎn)生兩路獨立的脈沖信號，每個軸的細分及驅動由一片Allegro公司的單片步進電機專用驅動芯片A3977來完成。1.1 元件性能特點    在眾多微處理器產(chǎn)品中，ARM處理器以極低的成本和功耗提供了較高性能，是復雜嵌入式應用的理想平臺。目前的32位、64位嵌入式

4、微處理器中，ARM是應用最為廣泛的一個系列。    LPC2132是PHILIPS公司基于ARM7TDMI內(nèi)核推出的工業(yè)級MCU。它具有16KB片內(nèi)SRAM，64KB FLASH，可以容納更大規(guī)模的代碼；2個32位定時器/計數(shù)器以及一個PWM單元；多達47個通用I/O口；2個16C550工業(yè)標準的UART；通過片內(nèi)PLL可以實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。ARM處理器較小的封裝，極低的功耗和強大的功能使其特別適合于小型系統(tǒng)2。    脈沖分配以及功率驅動操作也可以由相應的芯片實現(xiàn)，本運動控制卡采用了集成這兩種功能的驅動芯片A39

5、77。A3977是Allegro公司生產(chǎn)的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片，它采用脈寬調制式斬波驅動方式，可以驅動二相步進電機，且電路簡單，工作可靠。該芯片輸出電流可達2.5A，具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇，滿足一般功率要求下的驅動需求。1.2硬件系統(tǒng)結構     平臺硬件系統(tǒng)結構如圖1所示 ：圖1.硬件系統(tǒng)結構圖（1）通訊及調試接口    在一主多從結構下，每塊運動控制卡作為從站通過RS485總線與主站連接。LPC2132芯片包含2個16C550工業(yè)標準的UART，每一路包含16字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO

6、，其中接收器的FIFO觸發(fā)點可以設為1，4，8，14字節(jié)。在該自動化倉庫的控制系統(tǒng)中，考慮協(xié)議規(guī)定的每條指令長度而將觸發(fā)點設為8字節(jié)。上位機指令通過光耦與CPU實現(xiàn)電隔離。    LPC2132支持JTAG（Joint Test Action Group）協(xié)議。該協(xié)議主要用于芯片內(nèi)部測試以及對系統(tǒng)進行仿真、調試，通過JTAG接口，可對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)和調試過程的一種方便高效的手段。卡上保留一個20針的JTAG接口用于調試和燒寫程序3。（2）輸入輸出及采樣接口    系統(tǒng)的輸出量主要包括脈沖的輸出以及相關控制電平，

7、輸入包括對碼盤、接近開關等信號的數(shù)字的讀取以及部分位置傳感器中模擬信號的采樣。LPC2132的管腳大多具有一個以上的功能，使用某一功能前必須對管腳連接進行配置。除去調試接口所占用的部分，所余IO口能滿足輸入輸出具體功能的要求。（3）驅動芯片    運動控制部分的職能在于產(chǎn)生正確的脈沖序列和控制信號，脈沖分配以及功率驅動的功能可以由獨立的驅動器來實現(xiàn)。常用驅動芯片性能比較如表1所示：型號L297+L298A3977TA8435HA3955SB輸出電壓（V）503510-4050平均電流（A）2.52.51.51.5功率（W）2525  表1：常用

8、步進電機驅動芯片比較    AGV上的提升機構電機額定電流為2A，這里采用單片細分及功率驅動芯片A3977。每片A3977驅動一個步進電機運行，卡上設兩片驅動芯片來分別對應兩路輸出脈沖。驅動芯片輸入信號包括公共端，使能控制，細分設置，方向設置和脈沖輸入等，在細分設置確定的情況下，至少需要CPU提供3個I/O口。CPU與驅動芯片間的連接通過光耦實現(xiàn)電隔離。2 軟件設計    運動控制卡的軟件系統(tǒng)主要運行以下三個任務：任務一為插補運算；任務二為接收并緩存指令；任務三為提取并執(zhí)行指令。按任務的重要性和實時性要求，將插補運算設為最高優(yōu)先級，在

9、1ms中斷中得到執(zhí)行，其它任務在背景程序中得到執(zhí)行。軟件系統(tǒng)的具體結構如圖2所示：圖2.軟件系統(tǒng)結構框圖(1)S曲線加減速規(guī)劃及插補運算    為了保證系統(tǒng)在啟動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對送到步進電機的進給脈沖頻率進行加減速控制。立體倉庫中某些運動形式負載較大，為保證其良好的動態(tài)性能，采用S曲線型無沖擊型加減速處理。     S曲線加減速基本原理就是在加減速時，使加速度的導數(shù)Jerk為常數(shù)，通過對Jerk值的調整最大限度的減小對機械系統(tǒng)造成的沖擊。用戶設置加速度參數(shù)時只需考慮兩個參數(shù)，一個是總的加

10、速度時間（TA），一個是S曲線加速時間（TS）。系統(tǒng)根據(jù)用戶設置的值對加速度曲線進行分類，首先必須保證TA>0。如果TS=0，則曲線為直線型加減速；如果TS != 0，且TA>TS，則曲線為S曲線與直線混合型加減速；如果TS != 0，且TA<TS，則曲線變成了S曲線加減速。規(guī)劃過程需要對速度、加速度等參數(shù)進行圓整，從而給出每個階段需要的插補周期數(shù)。插補運算過程中間量可以使用浮點數(shù)表示，最終結果再取其整數(shù)部分4。    在接收到運動開始指令后，在背景程序中的指令執(zhí)行部分即進行對該過程的基本規(guī)劃，包括：計算升降速各個階段所需要的插補周期數(shù)，Jerk

11、值。插補過程在1ms中斷中完成。在本運動控制卡中，使用匹配輸出的方式來產(chǎn)生脈沖：定時器TC或PWM的值和比較匹配控制值MCR相等的時候發(fā)生定時器匹配，匹配后引起相應輸出口電平翻轉。在每一插補周期開始時，即設置好匹配控制值并啟動定時器，即可保證輸出頻率穩(wěn)定的波形。脈沖正常產(chǎn)生后則開始進行插補運算，計算下一周期的脈沖頻率，并查詢一次UART模塊相關標志位狀態(tài)以判斷是否有控制指令。實測得每個插補周期中的規(guī)劃及查詢運算量可以在300us內(nèi)完成，在1ms內(nèi)完成以上任務可以保證時序不發(fā)生錯亂。（2）指令接收與處理    中斷內(nèi)檢測到UART模塊接收緩存滿標志時，即通知背景程序

12、對指令進行接收，緩存以及后續(xù)處理。可能的指令類型包括：對參數(shù)進行修改、查詢等參數(shù)處理類型；插補運算的開始，運動開始，急停等運動控制類型。485主站與節(jié)點之間定義8位的ASCII字符作為一條指令，包括起始位，地址位，功能代碼位，4位數(shù)據(jù)段以及停止位。    所有節(jié)點在檢測到指令信息時，即從中搜索起始位“：”字符，當檢測到起始字符時，則對下一位（地址位）進行判斷來確定該指令是否發(fā)送給本卡，隨后將符合本機地址的指令收入隊列做進一步處理。本運動控制卡中采用了普通指令隊列與優(yōu)先指令隊列兩個環(huán)形隊列的方式。一般情況下，指令進入普通指令隊列末端等候執(zhí)行，特殊指令，如急停等，將進

13、入優(yōu)先的隊列以保證立即得到處理。    指令從主設備發(fā)往從設備時，功能代碼位將告之從設備需要執(zhí)行哪些行為，數(shù)據(jù)位則包含了要執(zhí)行功能的任何附加信息。運動控制卡需要執(zhí)行的功能包括讀取輸入的開關狀態(tài)，參數(shù)修改，發(fā)出運動控制指令，作出回應等。對其中每一種功能，在卡上都編程并與某一功能代碼唯一對應。功能代碼位選用一個ASCII字符，可用的代碼有255種，可以滿足使用要求。3  應用實例    在本文設計的粉末物料自動化倉庫中，原料置于單獨的儲罐中，每個儲罐底部連接下料機構，下料機構靠兩個旋轉的葉輪來完成功能。在需要某種原料時，AGV移

14、動到相應儲罐下方，下料機構工作，配合AGV上的稱量裝置完成對一種原料的精確計量操作。AGV移動時需要隨時讀取位置傳感器信息，保證定位準確。為了更換儲罐方便，放置儲罐的料架由絲桿來驅動，可以自由升降。為了實現(xiàn)密封、自動清洗等附屬功能，料架上附帶兩種類型的機械手，其中一種操作密封蓋在不需要下料時封閉下料機構的下端出口，另一種攜帶清洗水管，輔助完成料罐的清洗工作。機械手運行時要求精確定位于指定料罐的下方，并要求能對管路上的閥門進行控制。該系統(tǒng)的具體結構參考圖3。圖3. 立體倉庫結構示意圖    該粉末物料立體倉庫作為某化工產(chǎn)品柔性生產(chǎn)線的一部分，采用圖4所示的分布式控制

15、系統(tǒng)，并將控制系統(tǒng)分級以減少主機的任務量。RS485主站作為二級主站完成該立體倉庫分系統(tǒng)的控制。所述的運動控制卡作為RS485節(jié)點完成某一功能模塊的管理。485主站的指令以廣播的方式向所有下屬節(jié)點發(fā)出，被接收并地址識別后在節(jié)點得到處理。立體倉庫中每一功能模塊，使用單塊運動控制卡可以完成控制需求。圖4. 控制系統(tǒng)層次（1）脈沖輸出類任務    最簡單的操作方式為輸出脈沖驅動電機運動，如下料操作。這種工作方式下，主機通過指令設定行程，速度等運動參數(shù)，啟動指定節(jié)點的插補過程，插補過程啟動以后將不依賴后續(xù)指令而運行至設定行程。在產(chǎn)生脈沖的過程中，主機可能向節(jié)點周期性發(fā)出查

16、詢指令以確定節(jié)點當前運動狀態(tài)，為后續(xù)處理提供依據(jù)。（2）傳感器信息采集類任務    較為復雜的運動方式包括料架的提升以及機械手的操作。此兩類運動的范圍受到機械約束，需要讀取限位開關信號以及碼盤反饋信號以檢測運動狀態(tài)，機械手的操作中包含閥門等IO量的控制，位置傳感器輸入信號為模擬量需要采集及轉換。該系統(tǒng)的運行中，絲桿轉速最高為1.5r/s，采用256線的碼盤作為轉動反饋時，產(chǎn)生脈沖頻率為384Hz；機械手工作在更低的轉速范圍內(nèi)。本控制卡中，將限位開關、碼盤等信號視為I/O量，進行定時采樣來讀取信息；模擬信號被同時采樣并在片上即得到轉換。系統(tǒng)產(chǎn)生的1ms定時中斷同時也

17、作為采樣周期。根據(jù)香農(nóng)定理，1000Hz的采樣頻率足以滿足當前轉速區(qū)域內(nèi)的采樣要求。    自動化倉庫中料罐，下料機構，提升機構等組成多個相對獨立的下料單元，按照規(guī)劃這些下料單元不可能同時工作。使用繼電器切換，一塊控制卡即可完成系統(tǒng)中所有同類機構的控制要求。    單個節(jié)點對功能的實現(xiàn)中，完成了參數(shù)修改及運動控制，數(shù)字及模擬信號的采樣和處理等功能，與主機之間采用數(shù)字通信，具有智能化的特點。在分布式控制系統(tǒng)中，該運動控制卡還具有鮮明的特點使其適合作為智能節(jié)點使用：采用統(tǒng)一的軟件硬件接口形式，簡單的對地址進行編輯后即可互相替換；模擬信號在

18、節(jié)點即得到處理，主機與節(jié)點之間采用數(shù)字通信；不同節(jié)點之間完全獨立，單個節(jié)點的錯誤不會影響系統(tǒng)其它部分的運行。該系統(tǒng)基本符合基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的開放型、分散性、數(shù)字通信的特征，是一種較低成本的實現(xiàn)方式，同時，系統(tǒng)以步進電機為主要控制對象，節(jié)點上增加了功率驅動功能，并在軟件開發(fā)上優(yōu)先考慮了運動控制功能的實現(xiàn)。4  結論    本文介紹了一種基于ARM微處理器和步進電機專用驅動芯片A3977H的兩軸運動控制卡。在粉末物料自動化倉庫的控制系統(tǒng)中，采用基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)中，將其作為智能節(jié)點使用，通過RS485總線完成與中央控制系統(tǒng)的通信，并根據(jù)接收的指令完成插補過程，脈沖序列的產(chǎn)生，運動狀態(tài)的查詢等操作。產(chǎn)生的脈沖序列通過驅動芯