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1 引言 橡塑機(jī)械是現(xiàn)代制造技術(shù)中一類(lèi)重要工具，是一種由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床主體和其他輔助裝置構(gòu)成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用在橡塑產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，橡塑機(jī)械正朝著高速度、智能化、多功能化、高可靠性的方向發(fā)展。在監(jiān)控系統(tǒng)方面，尤其是近年來(lái)，也發(fā)展得更為集成化、網(wǎng)絡(luò)化。作為提升橡塑機(jī)械性能的一個(gè)重要組成部分，其監(jiān)控系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM9、嵌入式Linux以及CAN總線技術(shù)的應(yīng)用于橡塑機(jī)械的雙層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器，并介紹了成功應(yīng)用于橡塑機(jī)械的實(shí)例。 2 雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控集成化、自動(dòng)化的理念設(shè)計(jì)了下層CAN總線結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部分，監(jiān)控器所需要完成的工作包括：通過(guò)CAN總線與底層控制器交互，讀取并顯示橡塑機(jī)械當(dāng)前工作的狀態(tài)，配置并發(fā)送需要修改的運(yùn)行參數(shù)。 在CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，基于遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)控的理念，設(shè)計(jì)了上層的網(wǎng)絡(luò)支持。在上層網(wǎng)絡(luò)部分，監(jiān)控器提供WEB服務(wù)器，根據(jù)遠(yuǎn)程PC的請(qǐng)求發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)采用了以ARM9內(nèi)核CPU為主體的組織體結(jié)構(gòu)。選擇了S3C2410為核心，擴(kuò)展了64M SDRAM和64M NAND FLASH的硬件系統(tǒng)。由于該CPU內(nèi)部并未集成CAN總線控制器以及以太網(wǎng)控制器，因此通過(guò)MCP2510以及CS8900A分別擴(kuò)展了CAN總線功能和以太網(wǎng)功能。以下對(duì)兩個(gè)擴(kuò)展部分做重點(diǎn)介紹。 3．1 CAN總線擴(kuò)展 MCP2510完全支持CAN總線V2．0A／B技術(shù)規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報(bào)文，同時(shí)具備驗(yàn)收過(guò)濾以及報(bào)文管理功能。該器件包含三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，能夠減少S3C241O芯片的管理負(fù)擔(dān)和軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。 接口中使用了總中斷引腳INT，處理器在響應(yīng)總中斷后，通過(guò)SPI通道訪問(wèn)MCP2510內(nèi)部相應(yīng)寄存器來(lái)確定具體的中斷事件，并對(duì)其做出處理。 如圖2所示，S3C2410通過(guò)SPI總線發(fā)送MCP2510控制命令以及需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)MCP2510控制轉(zhuǎn)換以后生成總線報(bào)文，并通過(guò)光電隔離器6N137以及總線驅(qū)動(dòng)器8C250之后發(fā)送到CAN總線上。 3．2 以太網(wǎng)擴(kuò)展 以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的集合，大大加速了工業(yè)控制集成化、信息化的進(jìn)度。采用了CS8900A芯片以完成以太網(wǎng)擴(kuò)展。其主要包括802．3介質(zhì)訪問(wèn)控制塊，支持全雙工操作，完全依照IEEE 802．3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC8802-3，1993)，負(fù)責(zé)處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。 在硬件連接上，通過(guò)外部中斷EINT9來(lái)響應(yīng)通信，通過(guò)ADDR24以及其他片選讀寫(xiě)信號(hào)來(lái)控制網(wǎng)卡芯片的工作以及地址空間位置。 在收到由CPU發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)后，CS8900A將開(kāi)始偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙，就等待線路空閑，否則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送過(guò)程中，需要添加以太網(wǎng)幀頭，產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收到數(shù)據(jù)幀后，還需要經(jīng)過(guò)解碼、剝除幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟后存于CS8900A片內(nèi)的緩存區(qū)。并還需要通過(guò)CRC校驗(yàn)，便會(huì)產(chǎn)生外部中斷，通知主機(jī)收到了數(shù)據(jù)幀，最后，再根據(jù)CPU的指令，將數(shù)據(jù)傳輸給CPU。 網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展對(duì)于橡塑機(jī)械的整體化集成化管理起著極為關(guān)鍵的作用，作為一個(gè)高速、開(kāi)放的通信接口，網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)帶來(lái)了很大的靈活性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著不可替代的作用。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 整個(gè)監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)建立于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，因此軟件設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩大部分。系統(tǒng)軟件主要為對(duì)應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備，CS8900A為常用的典型網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展設(shè)備，已經(jīng)有既成的驅(qū)動(dòng)程序；而CAN總線擴(kuò)展則需要根據(jù)應(yīng)用中所需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)自定義實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)部分主要包括CAN服務(wù)器端的開(kāi)發(fā)和WEB Server的移植。 4．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用外部中斷EINT3連接MCP2510的總中斷，配置控制器始終處于喚醒模式，發(fā)送器處于正常模式，并使能接收、發(fā)送、錯(cuò)誤中斷，以中斷方式處理CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)。具體流程如圖3所示。 對(duì)中斷的處理主要包括以下三種模式： (1)發(fā)送處理。在滿足下述兩種條件時(shí)會(huì)啟動(dòng)發(fā)送處理：其一發(fā)送中斷響應(yīng)中，如果當(dāng)前有發(fā)送任務(wù)，通過(guò)發(fā)送緩沖區(qū)記錄標(biāo)志確定空的發(fā)生緩沖區(qū)并向其中填發(fā)送幀，然后啟動(dòng)發(fā)送；其二在接收中斷響應(yīng)中，在接收處理完后如果有發(fā)送任務(wù)且有發(fā)送緩沖區(qū)空閑，同樣會(huì)處理發(fā)送任務(wù)。采用兩種發(fā)送處理方式可充分利用MCP2510的多個(gè)發(fā)送、接收緩沖區(qū)，以提高通信效率。 (2)接收處理。首先需根據(jù)ICOD的值來(lái)確定當(dāng)前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)的接收緩沖區(qū)。接收幀處理過(guò)程中首先讀取幀的ID值，確定當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的，并據(jù)此把幀中數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的位置。 (3)錯(cuò)誤處理。由于引起錯(cuò)誤處理的原因很多，在產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷之后，需訪問(wèn)錯(cuò)誤標(biāo)志寄存器確定具體錯(cuò)誤類(lèi)型，并據(jù)此做相應(yīng)的處理。 最后在所有的處理中都需更新發(fā)送緩沖區(qū)使用記錄，以便于發(fā)送和接收中斷響應(yīng)中據(jù)此判斷發(fā)送緩沖區(qū)的使用情況，從而確定當(dāng)前是否可以做發(fā)送處理。 4．2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 4．2．1 CAN服務(wù)器端設(shè)計(jì) CAN服務(wù)器端需要完成兩大部分的工作。一是和底層控制器交互，二是處理并存儲(chǔ)好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以提供給人機(jī)界面和WEB服務(wù)器使用。 CAN總線默認(rèn)的調(diào)度方式為CAMA／CD協(xié)議，該協(xié)議原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)送效率急劇下降，即會(huì)永遠(yuǎn)優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)而阻塞優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)，因此考慮到對(duì)該協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。為了自定義協(xié)議，因此我們的CAN數(shù)據(jù)采用了擴(kuò)展幀。 針對(duì)橡塑機(jī)械需要的通信數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)計(jì)了如下的通信協(xié)議。主要具備以下幾點(diǎn)特點(diǎn)： (1)下位機(jī)根據(jù)仲裁段優(yōu)先級(jí)來(lái)確定該段數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)； (2)優(yōu)先級(jí)的分配由服務(wù)器端進(jìn)行，讀取初始化配置文件(包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)和優(yōu)先級(jí)碼兩個(gè)部分)+頁(yè)面設(shè)定； (3)優(yōu)先級(jí)根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的截止時(shí)間決定(DM)。要求的時(shí)間越短，其優(yōu)先級(jí)越高。 (4)通信數(shù)據(jù)的命令格式如圖4所示，其中所有字節(jié)均為ASCII字符。 開(kāi)始位必須放@，以示命令的開(kāi)始。標(biāo)題碼為命令的代碼；用”*”和回車(chē)(ASCII碼為13)作為命令結(jié)束。 一次通訊的流程如圖5所示。 設(shè)計(jì)了兩個(gè)隊(duì)列，分別為發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列，以處理大量數(shù)據(jù)的發(fā)送問(wèn)題。在隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按照其優(yōu)先級(jí)排序(DM判定)。 4．2．2 WEB服務(wù)器的移植 Boa是一個(gè)運(yùn)行在類(lèi)Unix系統(tǒng)中的小型Web Server，特別適合在嵌入式的場(chǎng)合中使用，其優(yōu)點(diǎn)在于快速性和可靠性。 Boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的移植主要有兩個(gè)部分：src下的文件修改和config文件修改。Src部分需要修改應(yīng)用的硬件平臺(tái)配置，指定交叉編譯器等。config文件需要針對(duì)監(jiān)控器設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)配置端口號(hào)等。 根據(jù)移植好的Boa，設(shè)計(jì)了圖6所示結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程橡塑機(jī)械WEB Server。 Boa服務(wù)器用以處理用戶(hù)請(qǐng)求，并返回?cái)?shù)據(jù)給瀏覽器。當(dāng)瀏覽器需要訪問(wèn)監(jiān)控器上動(dòng)態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，Boa服務(wù)器將調(diào)用存儲(chǔ)在服務(wù)器中的CGI(公用網(wǎng)關(guān)接口)程序。首先瀏覽器提交請(qǐng)求，Boa接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，再根據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)調(diào)用相關(guān)的CGI程序，CGI生成相關(guān)頁(yè)面數(shù)據(jù)向屏幕輸出，此時(shí)這個(gè)輸出被定義為到Boa的輸入，Boa再返回?cái)?shù)據(jù)給瀏覽器客戶(hù)端。上述CGI程序中實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)文件／tmp／currentData的調(diào)用，并輸出給瀏覽器端。 5 在橡塑機(jī)械上的應(yīng)用實(shí)例 本網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器配合相應(yīng)的圖形用戶(hù)界面程序已經(jīng)成功應(yīng)用于抽真空平板硫化機(jī)上，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)的同時(shí)監(jiān)控。通過(guò)本監(jiān)控器可實(shí)時(shí)監(jiān)控抽真空平板硫化機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中的各工序，配置硫化機(jī)的各項(xiàng)生產(chǎn)工藝參數(shù)。遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)也可通過(guò)局域網(wǎng)讀取到監(jiān)控器上的運(yùn)行設(shè)備。 6 結(jié)束語(yǔ) ARM9、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、以及CAN總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在本監(jiān)控器上的應(yīng)用將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能局限的一對(duì)一的橡塑機(jī)械監(jiān)控器擴(kuò)展到了網(wǎng)絡(luò)化、信息化的集成系統(tǒng)當(dāng)中。CAN總線數(shù)據(jù)的按優(yōu)先級(jí)調(diào)度能適應(yīng)多任務(wù)、大容量數(shù)據(jù)的處理，可有效提高監(jiān)控器的實(shí)時(shí)性能，而嵌入式WEB服務(wù)器的成功移植實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，可大大縮短維護(hù)時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，減少維護(hù)成本。 同樣，本控制器不僅僅局限于現(xiàn)今應(yīng)用中的抽真空平板硫化機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)理念使得只需要將具體通信數(shù)據(jù)協(xié)議以及與人機(jī)界面程序的接口稍作修改即可應(yīng)用于其他的橡塑機(jī)械乃至于其他工業(yè)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 |
