半自动卷绕机文档

半自动卷绕机文档一、硬件设计1.系统硬件组成卷绕机设备主要由电池极片供给、隔膜供给、卷绕机构、粘胶带四部分构成，机械部件主要是由1台伺服电机、1台步进电机、2台直流电机、1个触摸屏、45个输出汽缸及56个位置传感器构成，设备的主要的机械结构示意图如图1所示。

图1 卷绕机机械结构根据设备的机械组成及控制要求，控制系统的硬件设计选择由核心控制器DSP （TMS320F2812）、辅助控制器及I/O扩展模块CPLD（EPM1270）、各种外围电路组成，如图2所示。

DSP作为核心控制器，主要实现了与触摸屏之间的通信、外部按钮的信号捕获、模数（AD）转换、以及与CPLD之间的通信等功能；CPLD作为辅助控制器主要完成了将DSP并行总线的数据转换为伺服及步进电机驱动器所需要的串行脉冲、方向信号，并记录电机驱动器已发送的脉冲个数，同时还是系统的I/O扩展模块，解决了DSP内部I/O引脚不够的问题。

DSP与CPLD之间的通信是通过DSP的系统外部接口XINTF来进行的，它能提供一个简单、快速的通信通道；触摸屏采用的是Eview公司自带有CPU的MT4300C系列，通过串口按照其规定的通信协议即可完成通信工作，使用时将它设置为从机模式，DSP在需要读取触摸屏信息时主动请求与其通信，即可完成对触摸屏的读写操作，这种方便的读写控制方式大大缩短了系统在人机界面设计的开发时间。

图2 系统硬件组成DSP选用的是TI公司的TMS320F2812，它内部具有外部扩展模块XINTF，利用它能够方便快速地实现与CPLD的数据交互。

CPLD采用Verilog HDL语言进行编程，实现的功能主要有：1.接收DSP发送的并行数据——脉冲频率和个数，将其转换为串行数据，再经过差分芯片后得到相应的脉冲差分信号，用以驱动步进电机和伺服电机；2.接收电机编码器的差分信号，将其进行四倍频处理以计算得到编码器的准确数据，通过DSP的并行数据总线传送给DSP；3.利用其IO引脚众多的特点，可以实现DSP的IO扩展功能，以达到该系统IO数量的要求。

由于系统的IO输出信号是用于控制汽缸动作的，其工作电压是+24V，故需要利用继电器以达到弱电控制强电的效果；而IO的输入信号也是+24V工作电压的，其原始输入信号需要经过光电隔离之后才能输入到CPLD中，同样在电机驱动器输出控制和电机编码器的输入处理中都需要加入光电隔离以避免信号干扰！DSP直接控制的放卷电机是0~5V模拟电压控制的直流无刷电机，该模拟电压是利用DSP内部的SPI总线对DA芯片MAX5322进行控制得到的，其控制精度能够达到1mv，实现放卷电机的高精度控制；张力检测计的输出信号是模拟电压，可以利用DSP内部的模数转换AD控制模块实现张力的检测功能；在设备的操作过程中，人机交互功能采用EVIEW 公司的MT4300TE系列触摸屏来实现，它是采用串行通信方式SCI与DSP进行通信的，其通信波特率可达到115200，可以将其设置为人机工作模式以便DSP能够主动查询相关数据这种简单可靠的通信方式为人机交互提供了可靠的保障，实现了友好的人机界面功能；该设备除了拥有触摸屏作为人机界面外，还有“急停”、“复位”、“手动/自动”、“脚踏”、“启动”五个外部控制按纽。

“急停”按钮是设备运行过程中出现故障或安全事故等情况才启用的按钮，它要求DSP做出最及时地响应，因此将其连接到DSP的外部中断XINT接口，只要该控制按钮生效时，DSP便能立刻响应该信号的中断请求，做出相应的控制，以保证设备能够安全、可靠地生产。

“脚踏”外部控制按纽，需要作为DSP的中断源，因此将其连接到DSP的输入捕捉CAP模块，以保证程序运行过程中能够捕捉到这个按钮的输入与否，从而做出相应的控制。

2.初版电路设计原理该电路的设计分为四块电路板，包括：DSP核心板、AD&DA板、电机驱动板、IO板，电路板之间通过信号连接线来完成信号传递，需要特别注意的是，如果有光藕隔离模块，则隔离前的电源地使用GND，而隔离后使用另一个电源地CXGND，这样才能有效地抗干扰。

下面分别介绍四块板的主要设计原理。

a. DSP核心板DSP核心板的功能是组建DSP与CPLD的最小系统，并将需要用到的信号引出到双排针接口，另外三块电路板都是通过双排线连接到DSP板的，由于初版设计是为DSP+PLC 而设计的，因此IO接口预留没那么多，而实际调试过程是直接用DSP+CPLD取代了PLC 功能的，因此在原设计的电路板上进行了一些小改动，增加了一块临时制作的接口转换电路板，将多余的原来预留给电机驱动器的信号改成了IO接口，以扩大系统的IO接口。

b. AD&DA板AD功能使用的是DSP自带的AD模块，其输入电压的范围是0~3V，而实际的模拟电压输入是0~5V，因此外部输入的模拟电压需要经过一个分压电路，再通过一个电压跟随器后再输入到DSP中。

图3 AD模块DA功能采用的芯片是MAX5322，该芯片采用的是+/-12V供电的，一块芯片上有两个DA通道，分别用于上、下膜电机的电压控制端，DA芯片输出的模拟电压还需要经过由高精度运放OP07组成的电压跟随器，以提高其驱动能力，同时还加入了RC滤波电路以降低纹波。

图4 DA模块c. 电机驱动板从CPLD出来的串行脉冲控制信号经过ULN2803进行驱动能力加强后，经过高速光藕隔离与74LS14的整形，再经过差分芯片26LS31后得到驱动器所需要的脉冲方向差分信号。

图5 电机驱动模块d. IO板IO板是与卷绕机上的汽缸控制单元电磁阀相连接的，它是+24V供电的，因此光藕输入端应当接至+24V，而光藕的输出端应当接到+5V，光藕的输出经过74LV14整形后将作为DSP或者CPLD的最终输入信号。

图6 输入模块IO板上的输出端采用的是由继电器来对电磁阀进行控制的，其中单向电磁阀的输出控制信号是低电平/悬空，而双向电磁阀的输出控制信号是低电平/高电平，所以应当注意其接法是不一样的。

图7 输出模块e. CPLD程序设计CPLD的编程采用的是在QuartusII 8.1编译环境下用Verilog HDL语言编写各模块的功能函数，然后生成对应该模块的一个类似器件图，然后在.bdf文件中将各个功能模块用类似电路原理图的方法将其连接起来便构成了最终的程序。

CPLD在该系统中的作用主要有两个方面：一是作为DSP的IO扩展模块，二是作为协处理器完成如并行数据转换为串行数据等。

在CPLD程序中，首先要有一个地址译码器，作用是根据DSP发送过来的地址，通过该译码器后得到相应的一个片选信号，其它所有程序的片选信号都是从这个译码器里引出来的。

而在DSP中对CPLD的访问只需要对某个指针完成读写操作即可，通过将CPLD相关的地址单元在.cmd文件中预定义为DSP的寄存器，即可实现DSP对CPLD的访问类似对其自身寄存器的访问，详见DSP程序源文件《Auto程序初稿》。

译码器，选通输出为低电平有效图8 译码单元输入和输出扩展模块的程序只需要简单地将数据信通过一个三态门锁存器对应地连接起来即可。

图9 输入输出模块并行数据转换成串行数据的功能是：将DSP发送的并行数据（D[15..0]）转换为差分芯片所需要的频率可改的串行数据（P_DATA_2,DIR-2），同时返回脉冲是否发送完毕的信号finish_check，它是存放在数据总线的最高位数据位的。

图10 并转串模块3.新版改动a. 由于程序的代码段所需空间比较大，片内2K的RAM代码段空间并不够使用，因此新版扩展了一个64K的外部RAM：IS61LV6416，扩展RAM后，系统程序运行时可在程序最开始执行处将FLASH中的所有代码全部复制到RAM中运行，以提高程序的运行效率。

b. 由于之前采用的光藕PC410是一块芯片上只有一路光藕的，这样比较浪费空间，因此新版的光藕采用了高速光藕HCPL2631，普通光藕TLP281-4。

c. 由于初版DA功能选用的芯片是MAX5322，该芯片采用的是+/-12V供电的，这样会增加系统的电源设备，因此新版选用功能参数比较接近的AD5623R，它是+5V供电的，这样便可以减少系统的电源设备。

同时新版考虑将DSP与AD5623R通信的SPI协议交给CPLD 去实现，这样可以减少DSP的资源占有率。

由于IO接口的信号电压都是+24V的，IO接口信号需要经过光藕隔离，输出模块中，光藕的高电平输出是+23V，经过电阻分压电路得到+5V信号后才进入ULN2803的输入端。

图11 新版DA模块d. 新版增加了一个线编码器的输入电路，将线编码器上的A、B两相信号经过光藕隔离后即可输入到CPLD中进行相应的处理。

图12 线编码器模块e. 由于初版的输出模块采用的是继电器作为输出的驱动单元，其器件体积大，闭合时间慢等缺点为系统的可靠性和快速性带来了不利的影响，因此在新版设计中采用光藕与ULN2803配合使用的电路取代了继电器，同样能够达到控制电磁阀的效果，这样既可以减小器件体积又可以大大降低器件开关时的执行响应时间。

图13 新版输出模块二、软件设计1. 设备工艺流程卷绕机设备拥有“手动/自动”运行模式选择开关，在“手动”模式下，操作人员可以手动操作完成放电池极片、隔膜等准备工作，同时还能进行相应的局部调试及故障排查，设备在此模式下只需要根据触摸屏上的单个命令按钮作出相应的响应控制即可；而在“自动”模式下，设备需要按照一个严格的工艺流程来完成电池的整个卷绕过程，完成一次卷绕的主要操作流程为：1.“手动”模式下完成放极片与隔膜操作；2.切换到“自动”模式下，第一次踩脚踏开关完成导入上层极片工序；3.第二次踩脚踏开关完成导入下层极片工序；4.第三次踩脚踏开关完成电池卷绕与卸料工序，并恢复到就绪状态准备下一次卷绕工作。

详细的流程参见：《半自动卷绕机工艺流程》图14 工艺流程2.软件整体流程软件设计流程如图4所示，源程序参见《Auto程序初稿》，系统完成初始化之后以“手动/自动”的开关选择为条件，将系统分为“手动”和“自动”两种模式，在“手动”模式下，主要完成与触摸屏的通信工作，提取触摸屏的控制命令，并做出相应的控制动作；在“自动”模式下，按照设备的不同工序将系统的操作流程继续划分为若干个State，每个State内包含有若干步骤（Step）,在每个Step执行前会有相关的前提条件，在成功执行完一个Step后，Step 值将加1指向下一个Step,如果前提条件不成立，则保存这个Step值，并强制State值为报警状态对应的值，使程序自动跳转到报警状态，将报警的具体信息输出到触摸屏上，等待错误被处理后再次从报警前的被打断处继续执行下去。

图15 系统软件设计流程3.有限状态机的设计在“自动”模式下的程序设计采用的是基于有限状态机（FSM）的程序方法。