时间：2022-06-16 12:40:45
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系统上电后，风门处于关闭状态，系统周期检测传感器信号，人车运动过程中会触发微波传感器输出信号，系统则根据传感器信号执行开关风门和风门互锁。人车接近风门时，两侧风门的微波传感器检测到有效运动速度信号，首先进行信号竞争，根据竞争结果开启某一风门。2个风门入口信号4选1采取竞争方法进行选择，即微波移动传感器输出信号A1、A4、B1、B4处于竞争状态，一个检测周期内，只有一个信号有效。2个风门各2个方向。
（2）控制策略
控制系统风门互锁的控制要求并不复杂，关键是有效判断风门区域人员车辆的状态，并根据状态进行开闭风门。人员在巷道内行进过程是随意的，系统需要根据人员在微波传感器检测区域内的最终状态，对人员行进完成状态估计。如图3所示，根据人员的位置和传感器有效信号可以把人员行进的状态和风门控制策略分成9种，如表1所示。风门控制策略是控制系统的核心，策略制定的优劣直接影响着风门控制的可靠性。表1中根据人员行进的最终位置分为不同的状态估计，结合定时器对人员状态进行状态估计和制定控制策略。
（3）实现方法
有限状态机（FSM）理论是本风门自动控制系统状态转换和控制策略的理论基础。FSM包含有限的状态，但在任一给定时刻必须而且只能处于其中的一个状态，系统的状态变化受事件的驱动，事件是系统的活动或外部输入信号，它受当前状态约束。因此，研究有限状态机的关键就是在其状态空间中找到状态转换的轨迹，这要求在每个状态下全面分析驱动状态转换的事件（包括系统的活动和输入信号）和转换的目的地（即转换后的状态）。每个状态都有其特定的输出（系统的各项功能和性能指标），即系统状态转换伴随着系统的性能指标随时间的变化。风门自动控制系统的动态特性就是通过状态转换表现出来，巷道风门检测区域内人员行进过程中的每个有效位置都相当于一个状态，在任何时刻风门只能处于一个工况状态，工况间的转换受传感器信号即事件的驱动。当传感器信号满足进入某一工况的条件时，风门立即进入该工况下运行，一旦外部事件不受该工况下条件的约束时，风门立即离开该工况寻找另一个工况。每个风门区域可以作为一个对象，该对象有微波传感器和定时器属性，属性取值为开或关。2个操作开门和关门。根据人车通行过程和风门对象属性值的不同组合，可以把工作流程划分为5个状态:初始态，状态1，状态2，状态3，状态4。用统一建模语言中的状态机视图表达，如图4所示。图门状态转移示意图该视图中对不同区域设置不同传感器配合定时器对人车运动状态进行分类。从初始状态开始，当人车运动速度满足最低传感器1阈值接近区域入口时，风门开启，进入状态1，此时开启定时器1；若在定时时间到后区域检测不到信号则判断为人车退出风门区域，返回初始状态；若传感器2信号有效则进入状态2，同时开启定时器2，此时判断人车进入风门，人车的行走不会影响状态的改变，直到传感器3信号有效。状态2和状态3的人员已经进入风门，系统处于等待人车通过风门区域。传感器4有效时进入状态4，此时人车前端已经通过风门，系统等待其他部分通过风门区域。此时如果传感器没有信号则进行短暂延时后关闭风门。下一步就是根据状态机视图为PLC编写梯形图程序了。程序中使用了置位指令SET和复位指令RSET进行状态的切换，有些型号的PLC没有提供置位和复位指令，但都有实现置位和复位指令功能的变通方法，可以根据常开常闭寄存器切换，因此利用该状态机视图编程序具有很好的通用性。
（4）结语
关键词：以太网；燃机模块；电子控制系统；软件设计
引言
随着燃气轮机在工业现场的广泛使用，对控制性能的要求越来越高，其控制系统也迅速从液压机械式控制器发展为模拟式电子控制系统,进而发展成数字电子控制系统。到20世纪90年代,燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。近年来，国外燃气轮机的数字电子控制系统已经实现了标准化、系列化，实现了模块化,并配置了菜单式的开发软件。模块化控制系统中通信总线是系统内部数据交换的桥梁，总线的可靠性是系统可靠性的保障，总线速度也直接影响到整个控制器的性能，因此必须选择实时、可靠的通信总线。MIL-STD-1553B、ARINC-429等传统的现场总线可靠性高、使用灵活，工程上已经得到了广泛应用，但却遭受速度瓶颈。工业实时以太网技术具有速度快、实时性好、可靠性高等特点，它的发展使工业控制在通用化、模块化、数据交换等方面都面临新的技术革命，特别适用于分布式控制系统设计。EtherCAT是由德国Beckhoff公司开发。采用以太网帧，以特定环状拓扑发送数据的技术，拥有杰出的通讯性能，接线简单，并对其它协议开放。
1.总体方案
1.1燃机模块式电子控制系统方案
系统的控制对象是某型舰用中档功率系列燃气轮机，控制系统采用开放性的模块结构。电子控制器采用标准化、系列化的模块设计，各模块间采用最新的工业实时以太网Ethercat连接，控制软件设计成可选择、可配置的标准模块和接口，液压执行机构设计成通用的模块化的部件和组件。这就使整个控制系统的设计变为功能模块的选择、匹配和调整——根据燃机控制系统的信号数量和接口类型选择合适的硬件模块，根据特定控制规律和控制系统要求选择、配置相应的软件模块，根据燃油和导叶的控制要求选择合适液压执行机构。采用的是成熟的模块使各模块功能、性能都有了保证，各部件仅需要进行部分调整就能满足要求，既缩短研发周期，又提高系统的可靠性，同时也便于今后实现性能改进和功能扩展。
1.2燃机控制系统组成
燃机控制系统包括综合电子控制柜、系统软件、液压执行机构、电气系统等。液压机械装置采用模块化设计方法，包括高压燃油泵、燃油计量装置、导叶调节装置等。各模块可根据具体燃机要求配合使用。电子硬件通用模块包括：电子控制器模块、独立保护模块。系统软件包含控制软件和应用软件。控制系统接收来自控制室或监控台的控制信号，对燃气轮机的起动、加速、减速、稳态工况运行以及停车和重要参数限制实施全面的自动控制和安全保护，能实现对燃机辅助系统的监测和控制，能实现对燃机的故障诊断和重要参数的记录、存贮和通讯。
2.控制软件设计
2.1电子控制器方案介绍
电子控制器由主CPU模块与AD模块、DA模块、FI模块、IO模块等低级模块组成，各模块自带CPU处理器，模块之间通过工业以太网连接，控制系统采用基于网络通讯技术模块化设计，控制器的各种功能模块之间用实时以太网进行连接，完成数据交互。各模块可以集中在一起也可以分散到燃机的各部分，通过工业总线实现实时信息交流和控制。
2.2控制软件分层设计
控制软件包含CPU模块的控制应用软件、其它通用模块底层软件组成。底层软件与模块一一对应。模块的底层软件主要是实现通用模块采集、输出或信息交互功能，并与其它模块通讯，传递和接受信息，实现控制系统功能。CPU模块的控制应用软件通过与底层软件，根据模块的特点进行功能的初始选择和配置。初步设计的控制软件层次结构如图1所示，该层次结构适用于主CPU模块与所有低级功能模块。由于低级功能模块的任务都比较简单，所以并无必要采用实时内核，主CPU模块也需根据实际情况决定采用传统的顺序结构还是基于实时内核的并行结构。同一功能的器件在驱动程序层向顶层提供一致的接口，在这一层次中需要制定对器件读、写、模式设置、中断、轮询等操作的驱动程序函数模版。整理电子控制器硬件设计中常用的接口器件资料，针对这些器件编写驱动程序并用数据库进行驱动程序模块的管理。
2.3控制软件模块化设计
控制软件采用模块设计，将燃机的主要控制过程、各种控制规律形成标准程序模块。模块划分可层层分解，步步细化，当针对具体燃机时只要选用合适的模块进行组合，并进行对参数设置连接就可形成控制程序。程序的框架设计要保证其可扩展性，根据燃机控制要求的变化，不断的增加先进控制规律、控制算法模块提高整个系统的性能。在对燃机控制系统的特点进行充分分析的基础后，建立对燃机控制软件的通用框架结构、模块划分准则与模块配置策略，通过更改模块配置信息、模块整体更换等方式灵活构建可靠的燃机控制软件。软件模块化按照由粗到细、由繁到简的指导方针，按步骤逐级细化，最终生成最基本的模块单元。根据燃机控制系统的功能，将控制软件划分为基本数值计算模块库、信号处理模块库、故障处理模块库、起动控制模块库、燃机运行控制模块库、停车控制模块库、辅助系统控制模块库、底层软件模块库、通讯协议模块库。模块一般采用标准C语言编写，与CPU相关的代码采用汇编语言编写，考虑到不同CPU的字长、对齐方式等特性，模块内部均采用自定数据类型，且可通过外部进行设置。
3.通讯软件设计
EtherCAT通讯程序包括网络收发模块、EtherCAT接口模块、EtherCAT设备模块、主站模块和从站模块。网络收发模块完成底层网络数据包的发送和接收功能。EtherCAT接口模块实现EtherCAT通讯程序与功能软件的接口功能。EtherCAT设备模块实现EtherCAT设备扫描和软件初始化工作。主站模块实现主站初始化命令和循环命令的发送处理，实现和维护主站的状态机。从站模块实现从站设备的配置，同时维护从站设备的状态机。
3.1Ethercat协议
EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具。
3.2主站软件设计
EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，处理任务的同时，还可处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。
3.3从站软件设计
子站模块划分为A/D采样模块、频率量模块、LVDT及振动信号处理模块、热电阻信号处理模块、热电偶信号处理模块、压力信号处理模块、电流电压信号处理模块、开关量输入模块、开关量输入1模块、开关量输入2模块、开关量输出模块、模拟量输出模块1、模拟量输出模块2，备份槽。主程序通过不同的功能要求调用软件块。软件模块设计的基本原则是数据隐藏，即各模块内部数据私有，并提供外部接口访问这些私有数据，各模块之间相互独立，从而降低各模块之间的耦合程度。整个框架提供诸多配置接口，具有一定的通用性。子站模块实现的功能为DSP外设初始化；获取通道信息；获取开关量输入、拟量输入、频率量输入信号；输出开关量、PWM信号；FLASH存储器操作；定时器的启停、看门作等。
4.结束语
在国内航空发动机电子控制系统研制的技术积累基础上，开展基于网络通讯技术的燃机模块式电子器研究工作，研制具有自主知识产权的、具有国际先进水平的燃机模块式电子控制系统，不仅可以创造经济效益，而且能够打破燃机电子控制系统被国外公司垄断的局面，极大提高燃机市场的核心竞争力。
参考文献
[1]周向阳.模块式燃机电子控制系统软件设计技术研究.南京航空航天大学硕士论文.2010-03-01
[2]EtherCAT——技术介绍及发展概貌.国内外机电一体化技术.2006-11-30
[3]周千翔.基于实时以太网的分布式电子控制器设计.南京航空航天大学硕士论文.2008-12-01
关键词：DSP，DDS，无线电引信，干扰波形
1 引言
随着引信技术的发展，引信体制也在不断丰富，引信信号的波形也从最简单的单频连续波，到调频信号和脉冲信号，再到伪随机码调制信号经历了重大变化。无线电引信干扰波形发生器的功能就是模拟各种引信信号的波形。论文参考网。本文的设计就是在这个研究背景下提出的。以DSP芯片和DDS芯片为核心所设计的干扰波形发生器，具有实时性好、波形丰富、易于控制等特点。
2 DSP、DDS芯片简介
2.1 AD9854芯片
AD9854是AD公司推出的一种专用直接数字合成（DDS）电路，它自带单频、CHIRP、FSK、BPSK等五种工作模式，在此基础上借助片上高速比较电路和高速数控电路，可以产生目前引信使用大多数引信信号波形。AD9854的内部功能方框图如图1所示，它的主要特点如下：
l内部集成两个高性能12位D/A变换器、两个48位频率寄存器、两个14位相位寄存器、12位幅度调制数字乘法器、超高速比较器和4到20倍参考时钟乘法器；
l3.3V单电源供电、多重低功耗处理、最高300MHz系统时钟频率、窄带杂散83dB、宽带杂散56dB（宽带杂散随着频率增高而降低）；
l内置单频、FSK、RAMPED FSK、CHIRP、BPSK五种工作方式，支持幅度调制和成形开关键控功能。
图1 AD9854内部功能方框图
2.2TMS320F2812芯片
TMS320F2812是工业界首批32位的控制专用、内含闪存以及高达150MIPS的数字信号处理器，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。TMS320F2812片上整合了Flash存储器、快速的A/D转换器、增强的CAN模块、事件管理器、正交编码电路接口、多通道缓冲串口等外设，使用户可以以最便宜的价格开发高性能数字控制系统。TMS320F2812功能和资源相当丰富，其特点可以归纳如下：
l采用高性能的静态CMOS技术；
l先进的仿真调试功能；
l丰富的片上存储器资源；
l灵活的时钟和系统控制；
l功能强大的片上外设；
l12位数模转换模块（D/A）；
l高达56个可配置通用目的I/O引脚，保留通用外部标志XF；
l三个外部中断，外设中断扩展模块（PIE）支持45个外设中断。
3 干扰波形发生器的硬件设计
采用TMS320F2812芯片作为本系统的主控制器，用该芯片实现对AD9854的控制，产生所需信号波形。以TMS320F2812和AD9854为核心，构建的系统功能结构框图如图2所示。论文参考网。信号的参数由PC机设置，通过串口发送到TMS320F2812中，TMS320F2812收到参数后控制AD9854输出干扰波形，经过滤波器后输出。
图2 系统硬件结构图
本设计中AD9854采用并口形式访问。TMS320F2812与AD9854的接口示意图如图3所示。
图3 TMS320F2812与AD9854的接口
4 干扰波形发生器的软件设计
4.1系统软件设计
本系统软件程序的设计采用目前国际上流行的、通用高级程序设计语言—C语言；系统软件的开工具主要采用CCS 2000。本系统的软件的构成如图4所示。主要由系统软件、PC机控制软件和波形产生软件三部分组成。系统软件包括系统的初始化程序及所有硬件设备的驱动程序两部分；PC机控制软件的任务是接收用户输入的波形参数，转换成AD9854的控制字形式，然后传送给DSP；波形产生软件包括DSP控制相关硬件产生所需波形的程序和DSP产生波形数据并控制DA产生波形的软件两部分。
图4 无线电引信干扰波形生成系统软件系统构成
软件系统的工作流程如图5所示，具体工作过程是：上电后首先完成DSP的复位，DSP发出控制信号初始化DDS芯片，同时对LCD进行初始化。论文参考网。然后查询主控PC机是否发出有参数设置信息的指令信号，如果没有则继续查询；如果有则接收指令信号，并判断需要产生信号的类型，DSP据此将主控PC设置的参数信息发送到DDS芯片中或调用DSP程序，同时DSP运行数据信息在液晶显示器上显示出来。最后，DSP的计算数据经DDS的可控DAC后的输出或DDS的输出，经过滤波器后产生需要的引信干扰波形。
图5系统软件工作流程
4.2 三角波调频信号波形的产生程序设计及调试结果
在产生三角波调频信号的过程中，AD9854选择控制RAMPED FSK工作模式,DSP对AD9854的控制流程如图6所示。
对DSP控制AD9854产生三角波调频波形软件进行调试，产生的波形比较理想。图7是三角波调频信号在10MHz-30MHz的频谱，图中显示的频谱稳定，说明所设计的系统能很好的实现三角波调频。
图7 三角波调频信号频谱
5 结束语
本文所设计的无线电引信干扰波形发生器，在通用的硬件平台中，应用不同软件模块，能产生形式多样、波形复杂的干扰波形，所设计的无线电引信干扰波形发生器不仅能干扰多种体制的无线电引信，而且在引信研制生产的过程中，可以利用该系统作为试验设备，来检验引信的性能指标是否满足要求。因此，该设备具有较大的生产应用价值。
参考文献
[1]TMS320x281xSystem Control and Interrupts Reference Guide (Rev.B)．Texas Instruments，05 Nov 2004
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[3]刘和平,王维俊.TMS320LF240X DSP C语言开发应用[M]．北京航空航天 大学出版社，2003
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[5] 汪安民,程昱.DSP应用开发子程序[M]．人民邮电出版社，2005
关键词：毛巾剑杆织机；Cortex-M3；嵌入式实时操作系统
引言
剑杆毛巾织机以其灵活多变、适应性广、技术发展成熟而深受毛巾生产企业的青睐。当前剑杆毛巾织机逐步替代了老旧的有梭织机，成为了毛巾织造行业的主流设备。近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，但是遍布江浙地区的中小型剑杆毛巾织机生产企业的自主研发能力普遍还很弱，现有的剑杆毛巾织机产品大多数是在测绘国外中低档产品的基础上进行改进，高性能与新机型的研发能力以及自动控制系统的研发能力普遍不足，而市场竞争越来越激烈，需要不断更新和开发产品。因此，在完成机械部件设计的基础上，开发具有自主知识产权的高性能控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆毛巾织机生产厂家关注的重点。
文章以剑杆毛巾织机样机（如图1所示）为控制对象，在分析毛巾织造工艺的基础上，提出了一套以ARM技术为核心的新型毛巾剑杆织机控制系统设计方案，并制作样机。文章的研究成果将在合作单位首先试用并进行产业化推广，有利于推动绍兴以及浙江地区中小型剑杆毛巾织机生产企业产品的升级换代，提高其市场竞争力。
图1 剑杆毛巾织机样机
1 硬件设计方案
设计的毛巾剑杆织机控制系统以ARM技术为核心，采用的主控芯片为LPC1766。硬件电路设计过程为：首先，根据控制系统的详细设计方案，完成电路原理图设计，并计算相关电路参数，采购电路元器件。其次，对关键电路模块进行功能仿真或制作实物电路论证电路设计的合理性与可靠性。最后，绘制电路PCB板图，重点考虑电路布局与电路板抗干扰性能。在拿到PCB样板后，焊接控制系统电路板。其核心电路如下所述：
1.1 主控制板硬件电路设计
主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。其中液晶显示电路如图2所示。
1.2 卷取伺服电机连接控制板设计
卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。
2 控制系统软件设计
剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：
（1）在控制系统方案设计：首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。
（2）控制系统详细设计：首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。
（3）控制系统软件编写：首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。
（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。
（5）剑杆毛巾织机整机调试：在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。
控制系统软件具体的开发流程如图3所示。
图3 控制系统软件设计开发流程图
3 结束语
设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。（4）剑杆毛巾织机控制系统软件基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II构建，改变了传统织机控制系统软件普遍采用的前后台模式，提高了控制系统的实时性，也有利于提高剑杆毛巾织造工艺。
参考文献
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【关键词】 项目管理 软件开发 研究
软件开发过程是一个复杂过程，也是一个项目的综合过程。软件配置在软件开发过程应用，提高了软件的生命周期，在开发过程中，就能对软件进行测试，对软件的数据进行科学的分析，发现存在问题及时解决措施，对提高软件开发质量有了进一步技术保障，为项目的正确实施有了明确保障。
一、项目管理的概述
软件从调研、分析、设计、实施、测试、维护与管理及死亡的一个生命周期，实际就是一个项目的整个流程。项目管理就在一定环境下，根据企业的实际需要，进行科学的分析、科学的设计、科学的进行管理、以提高企业的利润为目标进行整个管理过程。现在项目管理在各个领域应用比较广，其有一定管理目标，科学的进行分析与管理，为实现特定的管理目标努力。项目管理是一项综合过程，涉及组织，质量、费用、时间等一系列问题，从发起过程，设计过程到实施过程都需要企业搭建良好的平台进行构建，以实现企业项目管理目标努力。
二、在软件开发中实施项目管理的重要性
项目管理在软件开发过程中起到重要作用，项目管理可以提高软件开发质量。有时即使不开展项目管理工作，软件开发项目也能取得成功。但是如果缺乏项目管理，则难以将成本控制在一定范围内，容易导致软件企业面临着亏损的风险。在开展项目管理工作的过程中，需要借助技术、方法等，管理软件开发活动，如此既有助于实现软件开发目标，又能够控制软件开发的进度以及开发成本。当前，虽然有部分软件企业依据软件工程理论，制定了管理软件开发的制度，但是却没有严格控制软件开发的进度以及成本。这种做法不仅会延长软件开发的时间，还会增加软件公司的经营风险，最终损害到相关用户的利益。而在软件开发过程中，开展项目管理工作，就有助于保证软件开发工作的顺利完成，同时提高软件企业的经营管理效率。综上所述，项目管理在软件开发过程中起到重要作用，在软件管理中能开学的，有目标的进行软件管理，在软件设计过程中，能合理的安排软件开发设计时间，保证软件时间正确完成，对提高软件质量，降低用户风险等方面都做的非常好，在软件开发过程中，合理的利用项目管理软件，对提高软件的应用有一定的现实意义。
三、项目管理在软件开发中的应用现状
项目管理应用在软件开发过程中时间不是很长，但最近几年，项目管理应用到软件开发过程中，取得一定成绩。60年代中期，软件行业没有一定标准，人们发现软件开发过程中存在一定问题，软件工作者一直想解决措施。80年代，学者尝试在软件开发过程中引进项目管理，这时候没有软件标准，但也取得不错效果。在项目开发过程中，项目组有多个成员组成，每个成员在项目开发过程中扮演一定角色，每个角色有一定的工作任务，要认真分析任务中具有一定的关联性，合理的利用项目管理，解决任务的开发时间及先后顺序，都是为了整个项目能正确，准时的完成而努力奋斗，同时也对员工提高工作效率有一定的益处，对提高学者的能力有一定的帮助，在未来的发展过程中，软件开发引进项目管理是时展需要，也是社会发展需要。
四、项目管理在软件开发中的应用
1、可行性研究。软件在开发实施前，都要对项目进行一定可行性研究，主要从管理、技术、经济三方面进行可行性研究。现有的管理水平是否能进行软件设计开发，是否符合现代化企业的项目化管理的需要。现有的技术水平是否能进行软件开发，是否能完成企业提出相应功能的实现。现有的经济能力，是否能承担软件开发的费用以及后期的管理与维护费用，有必要的可能软件升级费用等。
2、软件项目估算。在软件开发过程中，首先要规划软件开发项目，如此便于项目管理人员制定切合实际的估算方案。规划软件开发项目的内容主要包括：明确软件开发的目标、明确软件开发过程中需要用到的各种资源、明确软件开发的进度等。在软件开发过程中，估算起着非常重要的作用。通过估算可以保证软件项目在规定的时间内完成，也可以确保软件项目的成本未超出预算。
3、软件项目开发人员的管理。软件开发项目开发核心要素是人，包括管理人员及技术人员。人员的科学管理是软件项目开发质量的保障，科学的人员管理，可以提高工作效率，提高软件开发质量，节约开发成本，因此软件开发公司现在都很重视项目团队的建设。
总之，项目管理在软件开发过程中应用，提高了软件开发质量，并且取得一定成绩，解决了软件开发过程中出现的问题，为软件开发作出很大贡献。
参 考 文 献
[1] 何晓东. 统一软件开发过程的探讨[J]. 安徽科技. 2013（05）
本文基于OPC技术，通过VB 结合sql server等相关软件完成了一套工业现场异构系统集成软件的开发。通过本软件可以有效的将工业现场中不同的OPC server设备间的数据转存到数据库中，从而实现了工业现场之间异构系统的集成。利用本软件可以有效的降低企业异构系统集成的成本，提高了企业的工作效率，同时为将来工业现场远程监控提供了一个很好的平台。
【关键词】异构系统 集成 OPC VB SQL Server
1 引言
随着计算机技术的高速发展，在工业现场领域，一套工业控制系统可能会选用很多不同公司的控制设备来集成一个系统，但由于标准不同，开发者必须对系统的所有设备都编写对应的驱动，这无疑加大了开发的难度，同时由于驱动程序不同，使得不同设备之间通讯的时候容易造成数据拥堵，降低了系统的稳定性。
而OPC技术的出现可以有效的解决存在这些问题。OPC技术为各种软硬件厂商之间提供了明确的分工，软件厂商只需针对相应的接口进行编程，就可连接不同的设备。同时硬件设备厂商只需在设备中提供符合OPC规范的接口即可。这样极大提高了设备之间的互操作性。有效的解决了工业现场异构系统的集成问题。
2 系统整体结构
为了解决工业现场异构系统的集成，本文利用VB 6.0 开发了一套基于OPC技术的工业现场异构系统集成软件，该系统整体结构如图1所示，通过VB编写的客户端软件，可以将符合OPC规范的不同设备之间的数据都存储到数据库中，从而有效的完成了工业现场异构系统之间的数据的集成。
3 软件的设计及实现
3.1 软件的设计
本软件设计的重点是如何利用VB来实现读取OPC server中的数据，并将读取到的数据转存到数据库中。
3.2 软件的实现
3.2.1 OPC 技术原理
本软件设计主要是开发OPC 客户端软件，而OPC 服务器端一般通过相应的组态软件来实现。对于OPC服务器通常有两种访问接口，一种是OPC自定义接口，一种是OPC自动化接口。OPC自定义接口一般用c或者c++等程序来编写。而OPC自动化接口主要采用VB或dephi等软件来编写。实际应用中，并不是所有的OPC服务器都提供自动化接口，如果要采用自动化接口，需要对自定义接口进行进一步的封装，使其成为自动化接口，本次软件设计中，采用的是OPC自动化接口完成对OPC Server的访问。
3.2.2 利用VB 编写OPC 客户端的原理和代码
使用VB编写OPC客户端的原理主要是通过创建OPC服务器对象，然后进行连接。进而创建OPC的组对象，在组对象中添加OPC数据项标签，在OPC数据项标签中进行数据的读写。
其中对数据项标签的读写又分为异步和同步两种方式。在本次软件设计中，由于为了提高效率，因此采用同步的方式来读取数据。
相关代码的实现：
（1）连接OPC服务器。
Dim MyOPCServer As OPCServer ‘定义服务器对象变量MyOPCServer
Dim MyOPCGroup As OPCGroup ‘定义OPC组对象变量MyOPCGroup
Set MyOPCServer = New OPCServer
MyOPCServer.Connect " OPCServer.WinCC.1" ‘连接OPC服务器
（2）添加OPC组对象。
Set MyOPCGroup="MyOPCServer".OPCGroups.Add（"Group1"）
‘添加OPC组对象
MyOPCGroup.IsSubscribed= True‘设置该组数据为后台刷新
MyOPCGroup.IsActive = True‘设置该组为激活状态
MyOPCGroup.UpdateRate=1000‘设置数据刷新时间为1000
（3）添加数据项。
Dim ItemIDs（） As String
Dim ClientHandles（） As Long‘客户端句柄
Dim ServerHandles（） As Long‘服务器端句柄
Dim Errors（） As Long
Dim i As Long
ItemCount=4
ClientHandles（i） = I
…………………..
MyOPCGroup.OPCItems.AddItems ItemCount， ItemIDs， ClientHandles， ServerHandles， Errors‘添加数据项操作
（4）同步数据读写。
……………………
MyOPCGroup.SyncRead OPCCache， ItemCount， ServerHandles， ReadValue， Errors‘同步读数据
MyOPCGroup.SyncWrite ItemCount， ServerHandles， valuess， Errors‘同步写数据
（5）断开OPC服务器。
MyOPCServer.OPCGroups.RemoveAll‘移除所有OPC Group
Set MyOPCGroup = Nothing
MyOPCServer.Disconnect‘断开连接
3.2.3 利用vb的ADO技术进行数据的转存
在VB 6.0主要利用ADO技术来完成对数据库的访问，在VB 中如果想使用ADO技术首先应该创建该对象，然后通过对相关控件属性的设置即可进行数据库的连接。相关的核心代码为：
Private Sub Command7_Click（）
Dim Value1 As Variant， Quality As Variant， TimeStamp As Variant
……………………………………
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值1"） = Value1
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值2"） = Value2
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值3"） = Value3
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集值4"） = Value4
Form7.Adodc1.Recordset.Fields（"采集时间"） = TimeStamp4
Form7.Adodc1.Recordset.Update
Form7.Adodc1.Refresh
………………………………..
End Sub
4 结论
在工业现场领域中，OPC的作用已经越来越重要。它给硬件和软件提供商提供了一套标准，本次软件的设计正是基于这一标准，成功的利用vb开发一套OPC客户端软件，可以有效的将不同系统中OPC服务端的数据转存到数据库中，从而为工业现场异构系统之间数据集成提供了可能。
众所周知，工业现场正在向信息化和网络化发展，而企业对工业现场的远程监控的需求越来越多，而本次软件的设计，已经将异构系统之间的数据很好的转存到了数据库中，这就为将来工业现场异构系统之间的远程监控提供了一个很好的平台。
参考文献
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[6]Xu H.An Extendable Data Engine Based on OPC Specification[J].Computer Standards and Interfaces，2008，26 （6）：515-525.
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[8]Z-Word Inc.Dynamic C premier for semiconductor microprocessor integrated C development system user's manual[M].Califomia：Z-Word Corporation，1999.
作者单位
关键词：实时以太网； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站软件
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3678-04
将以太网技术应用于现场总线技术是分布式控制系统发展的必然趋势，与传统的现场总线相比，以太网现场总线具有刷新周期短，数据传输容量大，数据传输效率高，同步性能高等优点。目前常用的实时工业以太网技术有EtherCAT技术、EtherNet/IPIP技术、Ethernet Powerlink技术、Modbus/TCP技术等[1-3]。
EtherCAT是由德国Beckhoff 自动化公司开发，该总线具有高速和高数据有效率的特点，在硬件实现上具有网络拓扑结构灵活、接线简单、性价比高等优点，为今后实时工业以太网的发展趋势，更是今后实时分布式控制系统的首选[4]。
1 Ethercat总线的工作原理与相关协议[5-6]
1.1 Ethercat总线的工作原理
2 主站的硬件设计
2.1 DSP单元
核心器件采用TMS320C6455[9]，该器件TI公司推出的高速信号处理器，最高工作频率为1.2GHz，该模块主要电路包括时钟、复位、JTAG调试接口、存储器、通信电路、模拟量接收电路等组成。DSP主要用于复杂的实时信号处理（如：数控系统多轴的运动轨迹规划、实时的插补算法、误差补偿、伺服滤波算法），并将运算结果通过FPGA传送到PowerPC控制的EtherCAT总线上。存储器电路主要包括DDR2存储器以及FLASH存储器和DSP的接口，DDR2存储器用于存放数据，FLASH存储器用于存储运行程序和系统重要参数。模拟量接收电路在FPGA控制下，将外部输入的模拟信号数字化后送入DSP，用于数据信号处理。通信电路主要为千兆以太网接口电路，DSP内部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通过外部扩展PHY芯片实现网络功能，千兆网主要用于系统参数设置和调试使用。
2.2 FPGA单元
在设计中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件内部有39600个LE 资源，有1兆位的RAM，可提供三百多个输入输出 引脚，芯片内部集成了一百多个个乘法器和4 个PLL 锁相环，满足硬件设计需求。FPGA用于实现DSP和PowerPC的双向数据交换，PowerPC将接收到的EtherCAT总线上各控制单元的信息通过FPGA传送到DSP内部，DSP通过FPGA可以将相应的数据传到EtherCAT总线上各单元。另外，FPGA还用于逻辑控制，实现模拟量输入输出信息、开关量输入输出信息与DSP、PowerPC的无缝连接。
2.3 PowerPC （MPC5200B）单元
主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，该器件为Freescale 公司推出的32位高性能处理器，器件主频工作频率为400MHz，为了提高程序运算速度，器件内核分别带有16K字节的程序、数据高速缓存，带有一个双精度浮点处理单元。对于外部关键信号，片内带有标准中断管理单元。为了实现器件与外部通信，MPC5200B片内集成一路100M的以太网控制器，两路CAN总线控制器，多路串行口控制器。该单元由MPC5200B、时钟电路、复位电路、JTAG 调试接口、通信接口电路、存储器接口电路以及对外扩展接口电路等组成。该模块主要用于实现用于实现EtherCAT的物理接口以及主站协议的软件实现，并提供相应的控制软件。
2.4 电源单元
2.5 通信单元
在设计中为了考虑硬件的兼容性，采用了多种通信接口，在DSP上挂接一路1000M的以太网，用于DSP系统调试参数设置，在PowerPC上挂接一路100M以太网接口，六路串行接口（分别为2个RS232口、两个RS485口、2个CAN接口）。1000M的以太网用于实现EtherCAT总线物理接口，RS232口用于实现与PC通信，RS485口和CAN接口可以实现与其他设备接口，满足系统通用性要求。
3 主站软件设计
EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC两个运行程序，DSP程序主要功能是实现复杂控制算法，PowerPC程序功能为实现EtherCAT协议的通信和设备的控制。DSP运行的软件主要为算法研究，由于篇幅所限，文章着重详述在PowerPC硬件平台下，EtherCAT协议和控制软件在Linux操作系统中的实现。
3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站软件功能
在PowerPC下运行的EtherCAT 主站软件主要包含如下功能：首先，完成系统主站硬件的初始化，软件能够对系统运行时间进行计数，对系统运行状态进行监控；其次，主站软件通过发送命令要对EtherCAT 系统以及各个从站进行初始化，实现主站与各从站之间的数据实时交换，实现相关协议解析和转发；再次，主站软件可支持在线下载、实时更新。软件结构采用模块化编程，底层软件提供硬件驱动，中间层软件为上层应用软件和底层软件提供接口，实现上层应用软件与驱动软件隔离。
3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站软件具体实现
EtherCAT初始化完成后，在Linux内新建两个内核定时器，一个用于完成周期性数据通信，另一个用于轮询非周期性任务，也就是状态机处理任务。周期性数据通信定时器的优先级最高，定时器运行周期通过配置软件设置，非周期任务查询定时器的优先级较低，周期可定为50毫秒。
初始化和配置完成后，启动定时器开始发送周期性数据帧，并检查返回的数据帧，对返回的数据帧进行解析，获取从站的数据交给DSP处理，DSP对数据进行处理后，将新的输出命令发给PowerPC，PowerPC继续发送周期性数据帧。
4 结论
采用基于DSP和PowerPC的硬件平台实现了EtherCAT总线主站相关协议，通过测试可知， 主站周期性的向各从站（测试时，从站数量为3）发送EtherCAT 数据包（数据包数量为1518字节），各从站接收到自己的数据包，再向主站返回相应信息，EtherCAT总线延时时间为3.02μS，可以看出主站设计满足实时性要求。
参考文献：
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[4] EtherCAT Technology Group.EtherCAT Technical Introduction and Overview. December 2004.
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[6] EtherCAT Communication Principles[R].EtherCAT Technology Group，2007.
[7] Freescale Semiconductor.MPC5200B Data Sheet， Rev.1，1/2006.
关键词:嵌入式系统 数控系统 系统设计
中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
1引言
从20世纪70年代以来,以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造工业最重要的技术特征,数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。数控系统是数控机床的大脑,是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用,它集计算机技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、自动控制技术、信息处理技术等多项技术于一体,是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术。
随着电子技术的飞速发展,数控系统逐渐朝嵌入式方向发展。嵌入式系统是近年发展最快的技术之一,它是以应用为中心,以计算机技术为基础、软硬件可裁减,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本论文主要对嵌入式数控系统进行研究设计,以期从中找到可行的嵌入式数控系统控制方法,并以此和广大同行分享。
2嵌入式数控系统总体结构设计
系统由几个不同功能的模块组成,模块间通过并行I/O、高速串行协议或其他方法相互联系。主要包括人机交互装置、嵌入式数控操作和管理模块、嵌入式运动控制模块和I/O及伺服控制器等。
嵌入式数控操作和管理模块通过I/O与人机交互装置相连,并通过串口与运动控制模块连接,运动控制模块通过I/O模块与伺服控制器和机床各开关量相连。
(l) 人机交互装置。包括一个LCD显示器、一个键盘和其他一些按钮,完成人机交互任务,例如NC代码的输入/编辑显示、手动操作以及一些机床状态显示等。
(2) 嵌入式数控操作和管理模块。是数控系统的核心模块之一,负责全部的人机交互处理,各种机床参数的设置,NC代码的编辑、编译、存储和传输,系统监控与故障诊断,移动U盘的控制及网络通信等。
(3) 嵌入式数控运动控制模块。机床逻辑运动控制的核心,利用逻辑运算能力,负责送料机运行轨迹的计算、插补、反向间隙补偿、信号采集、主轴及开关量控制等实时性强的运算和控制。
(4) I/O模块与伺服控制器。FO模块的主要任务是不同电平的转换、隔离及功率放大等。包括3.3V到5V转换、3.3V到24V的转换、采用光电祸合器隔离防止干扰以及增大驱动功率等。另外还包括单路信号转换成差分信号及差分信号转换成单路信号电路。伺服控制器的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号,驱动被控对象跟随指令脉冲运动,并保证动作的快速和准确。
3嵌入式数控系统的设计与实现
3.1 硬件设计
本论文所设计的嵌入式数控系统硬件系统结构构成原理图如下图所示:
(1)ARM微处理器模块。ARM处理器是系统的控制核心,负责运行数控系统控制软件。本系统选用SAMSUNG公司的S3C44B0X处理器。本模块还包括时钟电路、复位电路和实时时钟RTC(Real Time Counter)电路。
(2)存储器模块。存储器是嵌入式系统中的重要组成部分,它用于存储程序和数据。本系统的存储器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存储系统程序;SDRAM用于存储系统运行时的程序与数据;SRAM用于存储突然掉电时的重要实时数据;NAND-Flash用于存储用户的数控加工程序。
(3)电源模块。新型的CPU和FPGA的内核电压一般都是2.5V或以下的,I/O电压一般都是3.3V。所选择的开关电源可以提供5V,±12V,24V电源,其中±12V用于主轴模拟信号模块电路,24V用于光电隔离电路,因此,需要使用低压差线性稳压器产生3.3V和2.5V的电压,供CPU、FPGA和CPLD使用。为了保证微处理器稳定而可靠地运行,还需要配置电压监控电路。
(4)人机交互模块。人机交互模块包括键盘及指示灯模块和液晶显示模块。键盘及指示灯模块负责键盘的扫描并读取键值,同时负责LED的显示控制。液晶显示模块实现数控系统用户界面。
(5)通信接口模块。通信接口模块包括JTAG接口、RS-232串行接口和USB接口。JTAG接口与PC通讯,实现系统运行程序的仿真调试;RS-232串行接口与PC通讯,实现NC文件的上传与下载;USB接口实现对U盘NC文件的读写。
(6)D/A转换模块。D/A转换模块负责产生变频器所需要的模拟信号,由隔离器件、D/A转换器和集成运算放大器组成。
(7)CPLD/FPGA模块。CPLD模块包括CPLD、FPGA、CPLD对FPGA的配置电路。CPLD主要是用来对SRAM工艺的FPGA进行配置和加密,同时扩展数控系统的通用I/O口;FPGA主要负责精插补,产生轴运动所需的脉冲信号以及处理编码器返回信号,同时负责处理手轮输入和开关量的输入输出。
(8)输入输出模块。本系统的输入/输出信号是通过FPGA和CPLD的逻辑控制来实现,以提高系统的工作可靠性和设计柔性。对于输出的脉冲信号和输入的编码器信号采用差分输出输入的方式,这样不仅提高脉冲传输的抗干扰能力,也增加了信号传输距离;而对于I/O信号则采用光电隔离的方法,进一步提高了系统的抗干扰性和可靠性。
3.2 软件设计
该系统采用嵌入式μClinux 操作系统作为嵌入式数控系统软件平台,其源代码开放、内核小,非常适合运行在嵌入式微处理器上,并且μClinux操作系统也支持TCP/ IP 协议,具有强大的网络功能,同时该操作系统也支持多任务并发运行,可以采用多任务编程方法。这样,数控系统的每个功能可以作为一个独立的任务来实现,这大大地增强了系统软件的可靠性、稳定性,也便于以后的维护和升级,同时也提供了图形用户接口(GUI),结合键盘、LCD 液晶显示和触摸屏模块为用户提供友好的人机交互界面。
(1) 调度任务的划分。
软件平台设计中,采用嵌入式实时操作系统μClinux对系统多任务进行调度及管理。基于实时多任务操作系统的应用程序中,实时性取决于对任务及中断的处理。用户根据需要调用μClinux的任务调度函数,调度函数从就绪任务中寻找优先级最高的任务,并进行任务切换操作。μClinux把任务分为各不相同的优先级(唯一),已经准备就绪的高优先级的任务可以剥夺正在运行的低优先级对CPU的使用权,所以正确的任务划分及优先级分配可以充分体现嵌入式实时操作系统任务调度算法的效率,从而提高整个系统的实时性能。μClinux可以支持64个任务,最多支持56个用户任务,其余8个是系统任务。按照任务划分原则,结合数控系统的具体要求,把应用软件分成以下几类任务:
① 数控系统基本功能实现任务:包括刀具的转换、位置的测量、工件的插补运算及补充运算、加工工艺设置等等,该级别的优先级最高。
② 保护功能任务:主要是报警功能。要求尽可能快的完成。
③ 人机交互功能:键盘响应、显示器显示等。优先级最低。
(2) 软件功能设计。
由于该嵌入式数控系统采用uClinux 操作系统管理系统的资源,相对于传统的单片机,更类似一台微型计算机系统,具有更强的性能和不同于传统单片机的软件设计方法,其软件结构包括加载程序、uClinux内核、系统调用接口和应用程序。
加载程序负责在加电后对微处理器进行必要的硬件设置,初始化内存,并把uClinux 内核映像从Flash 中复制到内存,把控制权交给内核,使内核运行,最终使应用程序运行。uClinux内核作为应用程序控制系统硬件的接口,提供应用程序对硬件的间接访问,在具体设计中,对微处理器中内置A/D 转换器的操作、对键盘的操作以及对LCD的操作由在uClinux下编写的设备驱动程序完成,这些驱动被编译进uClinux 的内核。
系统任务的实现由两个不同的进程实现:加工程序和网络服务程序,分别用来完成数控系统的工件加工、计算的功能及网络服务的功能。
4结语
数控系统作为现化制造业的核心技术,是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一,受到各国的普遍重视,特别是发达国家。自20世纪80年代以来,国际上的数控技术和市场基本上被日本、德国和美国等少数公司所垄断。考虑到我国机床数控系统当前的具体情况,研制一款拥有自主知识产权的嵌入式机床控制系统,对于提高我国中高档数控系统的技术水平具有十分重要的意义。本文从嵌入式数控系统硬件平台和软件平台的总体结构及其功能设计的角度对嵌入式数控系统进行了详细的设计研究,对于我国嵌入式数控系统的开发与应用,是一次有益的尝试与探索,是值得推广和借鉴的。
参考文献
[1] 田泽.嵌入式系统设计开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
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摘要： 针对单晶等径生长过程中主要是对系统的温度和晶体测径环节的控制，介绍了一种基于模糊控制与PID算法的CZ法单晶等径生长控制系统。详细阐述系统的组成，重点介绍系统采用双闭环串级控制。最后通过仿真测试，结果表明，该系统具有对现场温度、单晶直径等参数的合理控制和调节功能，能够有效地改善系统控制性能。
关键词： 直拉法（CZ法）；等径生长；模糊PID ；仿真
0引言
CZ法即直拉法，是目前制备晶体人们普遍采用的一种方法。由于单晶等径生长控制的关键是单晶棒，所以当忽略一些干扰因素时，单晶等径生长主要受到温度和单晶生长速度影响。系统若处于恒温状态下时，只通过单晶生长速度控制单晶直径，单晶外形能够保证，但晶体生长速度的变化就会影响单晶微观质量。反之，系统处于恒速状态下时，如果只通过温度调节来控制单晶直径，此时系统就变为一个缓慢时变、带有随机扰动的非最小相位系统，系统很难实现自动控径。本文介绍一种将模糊控制和PID控制算法相结合，采用串级双闭环回路，实现对晶体生长过程的温度与单晶直径的控制，其系统简单、可靠，易于控制。
1控制系统方案及构成
1.1 控制系统方案模糊控制是通过模仿人的思维方式和控制经验来实现控制的一种新的控制方法。它不依赖于控制对象的数学模型，通过对模糊信息的处理可以对复杂的控制对象实施良好的控制，而且模糊控制具有良好的鲁棒性，即当对象的参数或结构有一定程度变化时仍然可以保持较好的控制性，它最适合用于非线性系统或当输入及操作描述存在着不确定性关系的系统。而PID控制是目前应用最为广泛的控制规律，根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分控制（D）进行控制。在实际运用和理论上分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。
由于CZ法单晶等径生长系统中影响晶体等径生长的因素较多，例如：坩埚的温度、提拉速度等，这些因素之间的关系是模糊的、不确定的，若单纯采用模糊控制，实验证明在线辨识结果不一定有效；若采用PID控制，实验得出不仅控温精度低，而且系统自适应能力较差。为了达到较高的精度，必须将模糊控制与PID控制算法相结合，综合二者优点，系统选用模糊PID控制器。
1.2 基本构成本文论述CZ法单晶等径生长模糊控制系统由直径调节器、温度调节器以及称重测径系统三部分组成，系统结构图如图1所示。其中直径调节器是系统的控制核心，它可按用户需求直接设定单晶直径，并通过人机界面进行现场监视，方便用户操作；温度调节器又称控温仪，采用欧陆818P温度控制器，该控制器内部为一智能的PID调节，与热电偶配合使用进行测温，测得的数据通过A/D转换单元转换为数字量，并利用系统软件对其进行处理，同时输出控制指令和数显指令，完成整个测控系统的中央处理功能；称重测径系统具有独立数据采集功能，采用简单模糊控制器，利用单片机结合现场采集的直径数据与用户设定的直径比较，产生偏差按照模糊PID控制算法计算出实时控制量即输出量，再以此控制量通过D/A转换电路改变输出驱动信号调节晶体的提拉速度与埚升速度，使单晶直径逐步达到用户设定的直径值。
2控制系统设计
2.1 控制回路组成CZ法单晶等径生长控制系统中采用双闭环串级控制系统结构。如图2所示。系统设计为双闭环回路中主控制回路由直径调节器、副控制回路、晶体、测径单元组成；副控制回路由温度调节器、加热器、单晶炉、测温单元组成。其中把单晶直径作为主被控对象，单晶炉温度作为副被控对象；直径调节器作为主调节器，温度调节器作为副调节器。
2.2 控温回路CZ法单晶等径生长过程主要考虑因素之一是温度控制，基本原理是由所测温度与设定温度校正曲线的温度比较产生偏差信号作为模糊PID控制器的输入，根据不同时刻的采样点得到的偏差或偏差变化作为输入变量，对系统被控对象参数K，T，?子，进行在线整定，输出值可改变单晶炉温度达到控径的目的，同时也限制了单晶提拉速度的引起大范围波动与变化，用来补偿由于单晶长度生长变化而引起单晶炉中固、液体交界面热稳态发生的变化。
在系统设计过程中将副控制回路设计成一个控温系统，此时输入就作为直径调节器的输出，而输出的单晶炉温度将对主被控对象单晶直径产生直接作用。如图3所示。在副控制回路中，对于单晶炉的温度结构参数易变不易确定，通过纯理论计算过程较为复杂，但采用仿真实验方法进行测试就显得比较方便。实验时把单位阶跃电压信号即给定信号作为单晶炉的输入，相当于单晶炉温度突然变化的情况，通过仿真软件测出单晶炉输出温度变化的过渡曲线。
3软件设计
本系统逻辑控制软件主要由单片机选用Intel公司的16位单片机80C196KC实现，采用模块化结构设计。系统程序包括主程序和中断子程序。其中主程序由初始化程序、A／D采样子程序、键盘扫描子程序、模糊PID控制子程序等部分组成。系统主程序流程图如图3所示。初始化主要完成晶体辐射及热传导过程中系统各部件的初始化和自检。键盘扫描和控制算法等子程序利用80C196KC丰富的中断资源，在外部中断和定时器溢出中断子程序中完成温度和直径控制。与上位机的串行通信采用80C196KC自带的UART硬件传输中断，以满足数据双向传输的异步性和实时性要求。
模糊控制PID算法子程序包括输入量的模糊化、模糊化计算、输出量的解模糊化三部分。由于模糊集采用非线性分类，所以对输出量KP、TI、TD进行线性划分。系统对具体参数设置后，形成PID控制器的参数KP、TI、TD的调整规则表，并对其进行在线调整。最后使用加权平均法对在线已经调整好的这三个参数进行解模糊。（图4）
4实验结果
系统通过强大功能的仿真软件MATLAB实验测试，在Simulink的环境下搭建非线性模块，当搭建好后再对系统进行直接仿真，测试表明：该控制系统将晶体单晶等径生长过程的温度控制与晶体提拉速度完美结合，所生长出的单晶直径达到用户要求，而且单晶的等径控制精度可达±1mm、±1.2mm等等。系统不仅稳态精度明显提高，而且具有良好的动态性能和灵活性。
5结语
本文针对单晶等径生长过程，分析了影响单晶生长的因素，控制策略是结合模糊控制与PID控制的优缺点，并确定系统选用模糊PID算法，设计了一个模糊控制与PID控制算法相结合的单晶等径生长控制系统。系统采用双闭环串级控制其控制是在常用单回路的基础上增加了由温度调节器、坩埚加热器以及测温单元组成的副控制回路，并且通过实验测试，可有效地实现了单晶等径生长控制，系统能够达到较高的稳态精度。
参考文献：
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