摘 要：針對拉幅熱定型機，設計一種基于485總線的分布式監控系統。用ARM 嵌入式控制器實現主、從電機的同步運行和烘房溫度的控制；在PC機上用VB6．0設計轉速和溫度的監控畫面；實現ARM、變頻器和PC機之間的數據通信。結果表明，該系統實現簡單，通信可靠，移植性強，在印染設備監控中具有很強的推廣性。

　　關鍵詞：嵌入式；RS一485；印染設備；uClinux；監控

　　1 引 言

　　隨著工業自動化進程的推進和企業信息化程度的提高，利用遠端智能模塊和RS一485網絡構建監控工作分散、監控結果集中的分布式監控系統，由于投資費用低、結構簡單、實現容易、通信距離長、抗噪聲等優點，在工業控制中得到了廣泛的應用。而微電子技術和自動控制技術的發展。以及計算機技術迅速向非計算機領域的滲透，特別是32位微處理器ARM 在國內外的廣泛應用，使數字化、網絡化和智能化控制，成為新一代印染控制設備的主要發展方向。

　　我們針對拉幅熱定型機主、從電機的同步運行和烘房溫度控制系統進行監控，實現了微機（PC機）與MICROMASTER 440變頻器的設站通訊，配合漢化下拉式菜單和畫面顯示，以及必要的操作提示，可完成對變頻器參數的設定、運行參數的監測、運行數據和故障數據的采集。嵌入式控制器ARM除控制拉幅熱定型機主、從電機的同步和烘房的溫度外，還通過RS一485網絡，將主、從電機的轉速和烘房溫度數據，傳送給上位機畫面實時顯示。

　　2 系統的總體設計

　　圖1為系統的總體框圖。

　　ARM控制器通過兩路光電脈沖發生器PG1和PG2，同時采集拉幅熱定型機的主、從電機M1和M2的轉速，經計算后求出兩電機的轉速偏差，再經過智能算法，輸出控制量，調整從動機的轉速，使之跟隨主動機。由于是變頻器驅動，控制量要轉換為頻率的變化量。ARM 控制器按確定的數據結構，把控制量送給PC機，PC機通過485接口與變頻器通訊，調節變頻器2輸出頻率，從而控制從動機M2的轉速，使之與主電機同步運行。

　　ARM控制器還通過溫度檢測控制電路，采集烘房溫度，經過適合的算法，對烘房溫度進行控制。這里重點介紹PC機與變頻器和嵌入式控制器的RS一485接口設計。整個系統采用RS一485總線標準進行數據傳輸。PC機采用研華的MOX—A CP一132UL卡，它是專為工業通訊環境設計的RS一422／485二串口卡，它支持2個獨立的RS一422或RS一485串口，在一對多點應用環境中，每個串口最多可控制32個設備。每塊卡采用自動數據流向控制ADDC（Automatic Data Direction Con—tro1）功能，無需額外的編程，即可輕松管理RS一485半雙工通訊串口數據的傳送和接收。變頻器采用西門子的MM440，它有統一開放的USS通信協議，可方便的與PC機進行通信，并可以在運行中改變變頻器的運行參數。

　　系統運行前，首先在PC機上設定變頻器的內部參數，電機的轉速和溫度的額定值；同時開啟控制器ARM，進行數據采集和運算控制。通過485總線，PC機可對主傳動系統的主、從電機同步和烘房溫度的控制進行實時監測。圖1僅針對拉幅熱定型機的同步系統，所以只用了一個ARM控制器，如果需要擴展到多單元的同步控制，增加被監控的單元和控制量，可利用485接口，方便地接人多個ARM控制器。

　　3 上位機和變頻器

　　PC機與變頻器的通信采用USS協議。該協議由SIEMENS AG定義，主要以RS一485總線方式將多臺西門子公司生產的變頻器、直流調速器或PLC等終端設備與工業控制計算機相連，實現遠程監控。USS協議是開放的，所以為用戶開發自己的基于該協議的軟件產品提供了可行性。這樣不僅有利于降低開發成本，而且能充分滿足特定項目的需要，方便日常的工控網絡維護。

　　USS協議支持多點聯接，支持主一從存取方式，用于單主站系統，最多可鏈接32個站。USS協議支持可變和固定報文長度，報文格式簡單，通信字符格式為：1位起始位、1位停止位、1位校驗位、8位數據位，波特率最高可達18715Kbps。

　　圖2為變頻器MM440的通信報文結構，對報文的具體字符含義不做過多解釋，詳見文獻[1]，強調一點MM440支持BiCo（二進制互聯連接）技術，用戶可更方便的對它進行參數的控制。

　　在變頻器與PC機進行485通信前，對于MM440的參數設置至關重要。首先將所有參數復位到出廠設置：

　　P0010（調試參數過濾器）：30

　　表示為工廠的設定值；

　　P970（工廠復位）=1

　　表示所有參數都復位到它們的缺省值；

　　設置參數：P0700（選擇命令源）=5，

　　表示C0M 鏈路的USS設置；

　　PIO00（頻率設定值的選擇）=5，

　　表示可通過USS對變頻器進行控制；

　　P2010（USS波特率）=6，

　　表示通信波特率選9600；

　　P2011（USS地址號）等于1，

　　表示變頻器1的地址為1；

　　P2009（USS規格化）等于1，

　　表示數值是以絕對十進制數的形式發送[即4000（十進制）（=0FA0hex）等于40．00Hz]；

　　P2012（USS協議的PZD（過程數據）長度）：2，

　　表示PZD傳輸的是控制字和設定值，共2個；

　　P1013（USS協議的PKW 長度）=4，

　　表示用4個字節讀寫各個參數的數值；

　　P2014（USS的停止傳輸時間（ms））=X，

　　表示允許用戶設定一個時間X，在經過這個時間以后，如果USS通道接收不到報文，就將產生故障信號F07O。

　　上位機和變頻器通信采用VB6．0編程[2]，程序編制上采用事件驅動的通信方式。串口每接收16個字符便激活一個OnComm（）事件，在On—Comm（）消息處理函數中，加入相應的處理代碼，實現對變頻器參數的在線修改[3]。

　　4 上位機和ARM

　　嵌入式控制器采用三星公司的32位微處理器S3C44B0，芯片的內核是16／32位ARM7TDMI精簡指令結構處理器，是一種低功耗，通用微處理器內核，特別適合于對價格比較敏感產品的設計[4]。S3C44B0芯片除了微處理器內核外，在芯片中還集成了許多外圍設備，如8通道10位ADC，1個I2C— BUS控制器，LCD控制器，2通道UART。最重要的是它可以移植操作系統uClinux進行管理。uClinux是一個優秀的嵌入式操作系統，它很適合那些沒有MMU（Memory Management Unit）的處理器。沒有MMU 的處理器在嵌入式領域中應用相當普遍。針對uClinux內核的二進制代碼和源代碼都經過重新編寫，以緊縮和裁剪基本的代碼。這就使uClinux和標準Linux 2．0內核相比非常小，但它仍然保持了Linux操作系統主要優點。

　　本系統中，我們用帶uClinux操作系統的S3C44BOX控制器，用它自帶的一路10位ADC，方便的對拉幅熱定型機的烘房溫度進行較高精度的數據采集；通過I2C總線和外圍計數芯片實現兩路電機轉速的采集。一個UART用作485總線接口，與PC機通信；一個LCD控制器直接接3．5寸的STN液晶器，方便觀察。由于uClinux本身已經做好網絡的移植，本系統采用網絡芯片RTL8019AS把嵌入式接入以太網，用戶可以通過瀏覽器訪問該控制系統的運行數據，實現對系統的遠程監控[5]。

　　在拉幅熱定型機中，作為主傳動，帶動布鋏的主、從電機的線速度同步，是保證加工質量的關鍵，控制算法通常在PC機中完成，由于本系統采用32位微處理器，所以完全可以在作為下位機的ARM控制器中完成。PC機僅用于監測和變頻器通信，大大減輕了負擔。而且S3C44B0具有很好的移植性，可以作為模塊方便的掛在485總線上。嵌入式控制器S3C44B0和PC機之間，我們定義了下面的收發協議，如圖3所示。其中命令包括復位命令和發送命令，若接收方在約定時間內未收到發送命令幀，則發送復位幀，雙方回到通信程序的開始，清空緩沖區，然后重新同步，具體流程如圖4所示。

　　以下為ARM控制器發送數據的主程序流程：

　　while（1）｛ //主循環

　　if（recv_cmd（&type）==0）//CRC校驗發生幀錯誤

　　continue；

　　switch（type）｛

　　case_ADDR： //是本機地址

　　send_ack（_OK，0，dbuf）；//發送應答信息

　　break；

　　case_GETDATA_： //是發送命令幀

　　len= strlen（dbuf）；

　　send_data（_DATA，len，dbuf）；//發送采集數據信息

　　case_RESET： //是復位幀

　　break；

　　default：

　　break；//偷令類型錯誤，丟棄當前幀后返回

　　｝

　　   ｝

　　5 實驗結果

　　PC機采用VB6．0做上位機監控畫面，使用其Activex控件一MSComm，方便地實現了和多臺變頻器及嵌入式控制器的通信。為了使軟件更友好，采用了多文檔（MDI）Windows界面，支持下拉菜單，彈出式窗口，最大限度地方便了用戶的操作。軟件主要由以下幾大模塊組成，即：用戶登陸模塊，實時監控模塊、參數設定模塊，歷史數據查詢模塊和文件管理模塊。圖5為實時監控模塊，它的三塊儀表可以顯示兩臺主、從電機的轉速和烘房的溫度，當溫度超過或低于設定值時，烘房溫度報警指示燈會點亮紅色，并發出報警聲。同樣，當主、從電機轉速之差超過規定偏差的2％時，相應的報警指示燈也會點亮紅色，并發出報警聲。中間17個指示燈組成光柱，可以直觀地顯示主、從電機轉速的正負偏差。當偏差為零時，中間的綠燈亮；有偏差時，兩邊的黃燈亮，偏差量越大，黃燈亮得越多，光柱越長；偏差超限時，位于光柱左、右兩端的紅燈亮，表示主、從電機的轉速失去同步，發出報警停車信號，這種設計使人機界面更加友好。

　　6 結束語

　　在本系統中，ARM控制器實現了對拉幅熱定型機主、從電機的同步控制和烘房溫度的實時控制，PC機實現了對電機轉速和溫度的監控。對于像這樣具有多控制任務的系統，選用ARM嵌入式控制器，顯示了它在控制和通信上的優越性。雖然本系統是針對拉幅熱定型機設計的，但是由于485總線的節點可以擴展到32個，變頻器和控制器均可進一步擴展。而且低成本，低功耗，高性能的ARM控制器是在uClinux環境下開發的，其本身的移植性強，加上PC機配置頁面的靈活性，更適合移植到其他印染設備的控制系統中，在其它工業現場的自動監控中也具有很強的推廣價值。

　　參考文獻

　　[1] MIcROMAsTER 440通用型變頻器使用大全[S]．

　　[2] 范逸之，陳立元．Visual Basic與RS一232串行通信控制（最新版）[M]．北京：清華大學出版社，2002．

　　[3] 陳立定．Windows98下單臺PC與多臺變頻器的串行通信控制[J]．微計算機信息，2001，（2）．

　　[4] 李巖，榮盤詳．基于S3CA4BOX嵌入式uClinux系統原理及應用[M]．北京：清華出版社，2005．

　　[5] 李文蒙，范玉璋，陳曉雷．印染設備嵌入式同步控制遠程監控的設計[J]．中原工學院學報，2006，（1）．