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1、一种压力机用凸轮控制器电控系统设计摘要：在现代工业企业中，多数自动控制设备都具有循环往复运行特点。而电子式凸轮开关以其角度设置方便、功能多、体积小、可靠性高等优点，在这种循环性的自动控制中得到了广泛的应用。电子凸轮是根据机械凸轮的原理设计的，在一定程度上克服了机械式开关的一些缺陷，性能上也有了较明显的改进。关键词：可编程凸轮控制器 方案设计 电路 硬件1 引言随着科技进步和数字伺服技术的出现，在传动及控制系统中我们可以利用电子凸轮代替传统的机械凸轮实现各种复杂的往复运动。电子凸轮是以伺服控制技术为基础，并结合先进的微处理器，通过数字化系统实现模拟机械凸轮的功能。本设计主要研究压力机上的凸轮控制
2、。压力机具有用途广泛，生产效率高等特点。压力机的机械原理是由电动机通过摩擦盘带动飞轮轮缘而使飞轮旋转。压力机上的电子凸轮要和 PLC 配合使用，电子凸轮从PLC 那里得到压力机在不同工作模式下的信号，然后判断如何实现停机。凸轮控制器亦称接触器式控制器。因为它的动、静触头的动作原理与接触器极其类似。至于二者的不同之处，仅仅有别于凸轮控制器是凭借人工操纵的，并且能换接较多数目的电器，而接触器系具有电磁吸引力实现驱动的远距离操作方式，触头数目较少。是一种大型的控制电器，也是多档位、多触点，利用手动操作，转动凸轮去接通和分断通过大电流的触头转换开关。凸轮控制器主要用于起重设备中控制中小型绕线转子异步电
3、动机的启动，停止，调速，换向和制动，也适用于有相同要求的其它电力拖动场合。凸轮控制器有两类：一类是机械式；另一类是电子式。机械凸轮是一种角度感应和控制装置，通过在金属盘片上加工出一定形状的轮廓曲线，使其在某个位置可以有效的使与之接近的微动开关产生动作导通或截止。机械凸轮控制器出现较早，但是在应用过程中，发现了诸多不足：效率低，这是因为机械连接的安装需要的步骤多，复杂程度高，并且完成后还需要一直进行维护；操作过程噪声大；适应性差，无法适应不同的模板；无论是在安装设计阶段还是机器最终完成后，机器性能的可量测性很差，无法预测机器的性能；机床运行速度快凸轮输出响应滞后，不适合冲压行业生产高质量产品的要
4、求，因为它很难提供达到工艺要求的各种精确角度；机械凸轮一般安装在机床顶部，调整角度非常麻烦，费时费力，还容易误调整造成机床不安全。相对于机械凸轮，电子凸轮对大部分人来说都是比较陌生的，但电子凸轮的优点远远超过机械凸轮。电子凸轮完全克服了上述缺点，它更能适应现在市场的需求，具有十分广阔的潜在市场。电子凸轮又称Electronic CAM，是模拟机械凸轮的一种智能控制器。电子凸轮是根据机械凸轮的特点,用一个驱动装置（如步进电机）直接驱动顶杆运动,而驱动装置由控制系统控制,从而实现机械凸轮系统功能的机电一体化产品。由于该系统采用计算机控制,计算机输出数字量直接控制或经数模转换器转换为模拟量后控制驱动
5、装置运动,实现顶杆的运动,故称为电子凸轮。电子凸轮控制器早已广泛地使用在机械压力机上。凸轮控制器应用于钢铁、冶金、机械、轻工、矿山等自动化设备及各种自动流水线上。随着国内制造业的发展，国内机械压力机市场对电子凸轮的需求量也日趋增大，目前，在机械压力机上电子凸轮替代机械凸轮已成为一种趋势。凸轮控制器是机械压力机电气控制系统的重要组成部分。在机械压力机的一个工作循环中，主机和辅机各工作机构的动作有严格的逻辑关系，包括动作的顺序和动作所占用的时间。处理工作机构逻辑关系是由凸轮控制器来实现，凸轮控制器对曲轴旋转角度进行分配，发出相应信号。在压力机上，编码器随曲轴的旋转而转动，电子凸轮将接受到的编码器脉
6、冲信号转换成角度或冲程速度在面板上显示，压力机所需的凸轮角度范围可在凸轮面板上进行任意的设置。电子凸轮显示比较直观，角度和冲程速度用数码管直接显示，角度设定也非常方便和安全，直接用按键在面板上设定。机械凸轮去掉后，机床上原先设计的凸轮传动机构去掉了，简化了机床结构，便于机床日常检修。电子凸轮可以实时监视到离合器制动器的刹车角度、刹车时的速度、判断刹车稳定性、判断刹车性能；系统可以记忆离合器的离合次数，来判断离合器的使用频率高低。电子凸轮的出现最初仅仅是为了取代机械凸轮。随着电子技术高速发展，电子凸轮逐渐集成了很多新功能，这些新功能提高了机床的性能、自动化水平和安全性。目前，电子凸轮还在向网络化
7、、智能化、冗余控制方向发展。2 方案论证2.1方案一：可编程凸轮控制器主控制器设计外部功率输出数据输出旋转编码器读入编码器数据数据转化查找数据输出转速计算并显示输出数图1 可编程凸轮控制器的系统框图如图1所示，旋转编码器与压力机曲轴连接,用于检测压力机曲轴在0359b之间所处的位置,并将所测出的位置信息传给控制器。在1个循环周期内,控制器把旋转编码器传来的数据经转换后变成主控机能识别的代码,然后根据此代码找到用户外部输出数据,最后输出到外部器件,使相应输出端子导通,完成对压力机附属系统在曲轴的不同转角位置时的控制。通常为了动态显示机械压力机当前工作状态,在数据输出前还要完成转速计算和数码管的显
8、示工作。2.2方案二：机床信号凸轮信号角度输出曲轴角度按键显示电路DSP主控芯片电源电路编码器输入接口编码器输出接口I/O接口电路图2 电子凸轮控制器的原理框图方案二的原理框图如图2所示，此方案中，凸轮控制器有按键显示电路，DSP主控芯片，I/O接口电路，编码器输入接口电路，编码器输出接口电路，电源电路等组成。按键显示电路用于显示曲轴角度和速度、生产计数、刹车距离，报警提示等信息以及用户参数输入。编码器信号经编码器输入到DSP主控芯片，便于DSP芯片的程序处理，输出凸轮信号、离合器刹车信号等。机床I/O信号经I/O接口电路到DSP主控芯片同时也是凸轮信号输出通道。电源电路给控制器提供所需电压。
9、其中DSP主控芯片存有控制程序，以实现对压力机的控制。2.3 各电路设计和论证对于方案一的可编程凸轮控制器主控制器设计，它具有可以有16个控制量输出；程序更换方便,机内可以提供并存贮8组程序,程序选择输入可选择任意一组程序；运转中的ON/OFF输出角度可微调。可不停止机械运转,微调0N/0FF的输出角度。具有原点补偿功能。但它又具有很大的缺点：由于基于工业控制机,主控制器内的功能完全由软件来完成,受计算机运算速度和可编程凸轮控制器运行原理上决定了其响应速度不可能太高,且程序的运行易跑飞，响可靠性。单片机是单任务顺序执行器件,程序执行是逐条单步进行的。因此,主控制器的1个工作周期内,在外界环境强
10、电磁干扰下,无论哪个环节当中的哪条指令的跑飞,都会导致整个工作周期失败,影响系统的可靠性。对于方案二就具有如下的优点：1）电源电路：电源电路是由两个集成电路和与之相连的电阻电容以及二极管组成，提供控制器所需的5V,3.3V,1.8V的电压。2）DSP主控芯片：DSP主控芯片控制软件程序包括程序初始化模块：含硬件初始化、系统软件初始化以及中断初始化；主程序模块：含FRAM写读模块、人机界面模块；1ms中断模块:用于扫描角度指示灯、数码管及按键；50us中断执行模块：含电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块；电源中断模块：用于掉电时需要保存的参数，如当前角度和当前
11、生产计数值，程序将当前角度和当前生产计数值保存进FRAM存储器。3) I/O接口电路：I/0接口电路分为输入接口和输出接口两个部分。输入接口由五个光耦以及与之相连的电阻组成，用于采集机床上的输出信号。输出接口由两个集成电路、光耦以及与之相连二极管组成，用于输出凸轮信号和控制离合器信号。使用I/0接口电路能大大减少数据传输速率，减少资源浪费。4) 编码器书输入输出接口：编码器输入接口电路采用三个光电管和与之相连的电阻电容组成，用于接收编码器输出的角度信号；编码器输出口电路用于输出角度信号。5) 按键显示电路：按键显示电路采用74HC595串转的集成电路，将DSP芯片P1口送出的数据转换成数码管的
12、断码数据，控制数码管的点亮和熄灭以显示曲轴角度等参数。 综上考虑，方案二克服了每次均需人工调正凸轮角度、人机界面不友好的缺点，具有自动死点修正、监视滑块速度等特点，安全性高，更适应机械压力机机构动作频繁的要求,因此选择方案二。3 硬件电路 3. 1电源电路如图3所示，电源电路有三个输出电压3.3V、1.8V以及5V电压，为整个电路不同部分提供电压。VR1为稳压管，连接电容、二极管，起到整流、稳压的作用。5V电流直接送入，不需处理，由U6的28号引脚直接输出。同时，输入的另一个电压，经过降压，分别由1OUT和2OUT输出1.8V和3.3V电压。图3 电源电路3.2按键显示电路 3.2.1 74H
13、C595串转并集成电路74HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器，其管脚引脚图如图4所示，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。表1为74HC595的引脚功能表。数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输
14、出到总线。74HC595的特点：高速移位时钟频率Fmax25MHZ；标准串行（SPI）接口；CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联；低功耗：TA =25时，Icc=4A（MAX）；8位串行输入 /8位串行或并行输出 存储状态寄存器，三种状态；输出寄存器（三态输出：就是具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态的门电路）可以直接清除 100MHz的移位频率。图4 74HC595引脚图表1 引脚功能表管脚编号管脚名管脚定义功能1、2、3、4、5、6、7、15QAQH三态输出管脚8GND电源地9SQH串行数据输出管脚10SCLR移位寄存器清零端11SCK数据输入时钟线12RCK输出存储器锁存时钟线13
15、OE输出使能14SI数据线15VCC电源端3.2.2按键电路图5 按键电路如图5所示，SW1SW4为按键，分别为选择键、增键、减键和确定键。通过U3上依次送出的高电平和KEY信号组合来检测有那个按键按下。3.2.3显示电路图6 显示电路如图6所示，D1D32是发光二极管，即角度指示灯，用于显示每11.25度一个间隔共360角度的曲轴角度。数码管用于显示计数、角度等一些参数。3.3 DSP主控电路3.3.1DSP芯片DSP是数字信号处理（Digital Signal Processing）的简称，是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具
16、有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。其工作原理是：是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP芯片特点：1采用哈佛结构：DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统的冯诺依曼结构有更快的指令执行速度。1）冯诺依曼采用单存储空
17、间，即程序指令和数据指令公用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。2）哈佛结构：采用双存储空间，程序存储和数据存储分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立的编址和独立访问，可对程序和数据进行独立的传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大的提高了数据处理的能力和指令执行的速度，非常适合于实时的数字信号处理。3）改进型的哈佛结构：改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点有：允许在程序空间和数据空间传送数据，使这些数据可以由算术运算指令直接调用，增强了芯片的灵活性。提供了存储指令的高速缓冲器（C
18、ache）和相应的指令，当重复执行这些指令时，只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出，从而减少了指令执行所需要的时间。2 采用多总线结构：DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大提高了DSP的运行速度。3 采用流水线技术：每一条指令可通过片内多功能单元完成指令、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令并行执行，从而在不提高时钟频率的条件下减少每条指令执行的时间。4 配有专用的硬件乘法-累加器：为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有硬件乘法-累加器，
19、可以一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的硬件乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR、IIR、FFT变换等专用信号处理。5 具有特殊的DSP指令：为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令,专门完成系数对称的FIR滤波器和IIR滤波器。6 快速的指令周期：由于采用哈佛结构、流水线操作、硬件乘法-累加器、特殊指令和集成的优化设计，使指令周期可在20ns以下。如TMS320C54x的运算速度为100MIPS7 硬件配置强：新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口音（HPI
20、）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭的处理器。8 支持多处理器结构：尽管当前的DSP芯片已达到了较高的水平，但一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还不能满足要求。如在图象压缩、雷达定位等应用中，若采用单处理器将无法胜任。因此，支持多处理器系统就成为提高DSP应用性能的重要途径之一。9 省电管理和低功耗：DSP功耗一般为0.5-4W,若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W,可用电池供电,适用于便携式数字终端设备。DSP优点：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易
21、实现集成；VLSI可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。DSP缺点：需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。DSP的发展：DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enabl
22、ement）的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SOC类产品中。” 第一阶段，DSP意味着数字信号处理。80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。到90年代，多家公司跻身DSP领
23、域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制 DSPcDSP，cDSP 基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念
24、，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。以TMS320F28335的DSP芯片为例介绍DSP主要工作方式。如图7所示。图7 TMS320F28335实物图TMS320F28335主要性能和参数：高性能的静态CMOS技术，指令周期为667 ns，主频达150MHZ；高性能的32位CPU，单精度浮点运算单元(FPU)，采用哈佛流水线结构，能够快速执行中断响应，并具有统一的内存管理模式，可用CC+语言实现复杂的数学算法；6通道的DMA控制器; 控制时钟系统具有片上振荡器，看门狗模块，支持动态PLL调节，内部可编程锁相环，通过软件设置相应寄存器的值改变C
25、PU的输入时钟频率；8个外部中断；支持58个外设中断的外设中断扩展控制器(PIE)，管理片上外设和外部引脚引起的中断请求；增强型的外设模块：18个PWM输出，包含6个高分辨率脉宽调制模块(HRPWM)、6个事件捕获输入，2通道的正交调制模块(QEP)；串行外设为2通道CAN模块、3通道SCI模块、2个McBSP(多通道缓冲串行接口)模块、1个SPI模块、1个I2C主从兼容的串行总线接口模块；12位的AD转换器具有16个转换通道、2个采样保持器、内外部参考电压，转换速度为80 ns，同时支持多通道转换。TMS320F28335复位电路：复位采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，
26、系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100200 ms的稳定期。TMS320F28335的复位电路：复位采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100200 ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD30l一旦加电，其输出电压紧随输入电压，当输出电压达到启动RESET的最小电压时(温度为
27、25时，其电压为15 V)，引脚RESET输出低电平，并且至少保持200ms，从而满足复位要求。TMS320F28335的时钟电路：向DSP提供时钟一般有2种方法：一种是利用DSP内部所提供的晶体振荡器电路，即在DSP的Xl和X2引脚之间连接一晶体来启动内部振荡器；另一种方法是将外部时钟源直接输入X2CLKIN引脚，Xl悬空，采用已封装晶体振荡器。鉴于从资源利用和电路设计的简单性考虑。该最小应用系统的时钟电路采用TMS320F28335内部晶体振荡器，具体电路如图8所示。外部晶体的工作频率为30 MHz，TMS320F28335内部具有一个可编程的锁相环，用户可根据所需系统时钟频率对其编程设置
28、。图8 TMS320F28335引脚连接电路图在本设计中，DSP主控芯片为U1，芯片内存有针对机械压力机的控制程序。U2是存储器，存储凸轮角度设置以及机床相关的参数，U3为断电检测芯片，用于检测24v电源是否断电。图9 DSP时钟信号时钟信号如图9示，Y1是晶振，为DSP提供工作的时钟信号。3.3.2 FRAM存储器FRAM存储器概述：WFRAM是由美国 Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。 其核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性。FRAM存储器基本原理：铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材
29、料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们记作逻辑 0，另一个记作逻辑 1。中心原子能在常温没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。 由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。FRAM存储器特点：采用20488位存储结构； 读写次数高达一百亿次；在温度为55时，10年数据保存能力； 无延时写入数据；先进的高可靠性铁电存储方式；连接方式为高速串行接口（SPI）总线方式，且具有SPI方式0和3两种方式；总线频率高达5MHz； 硬件上可直接取代E；具有先进的写保护设计，
30、包括硬件保护和软件保护双重保护功能；低功耗，待机电流仅为10A；采用单电源+5V供电；工业温度范围：-40至+85； 采用8脚SOP 或DIP封装形式。基于以上特点， FRAM存储器非常适用于非易失性且需要频繁快速存储数据的场合。其应用范围包括对写周期时序有严格要求的数据采集系统和使用EEPROM时由于其写周期长而可能会引起数据丢失的工业控制等领域。FRAM存储器说明：(1) 早期的FRAM读/写速度不一样，写入时间更长一些，在使用上要注意。近期的FRAM读/写速度是一样的。例如，上述FM1808的一次读/写时间为70 ns。一般地，一次读/写的时间短，而连续的读/写周期要长一些。例如，Ram
31、tron公司新近推出的128 K8 bit的FRAM芯片FM20L08的一次读/写时间为60ns，而其连续的读/写周期为150 ns。这对多数工控机来说还是可以满足要求的。(2) FRAM在功耗、写入速度等许多方面都远远优于EPROM或EEPROM。这里特别提出的是写入次数，FRAM比EPROM或EEPROM要大得多。EPROM的写入次数在万次左右，而EEPROM的写入次数一般为1万10万次，个别芯片能达到100万次。早期的FRAM的写入次数为几百亿次，而目前的芯片可达万亿次甚至是无限多次。(3) 在FRAM家族中，除了上述并行的FRAM芯片外，还有串行FRAM芯片。与串行EEPROM一样，串
32、行FRAM只能用作外存。显然，利用串行FRAM可以构成IC卡。图10 FM25C160引脚图FRAM存储器的指令集：以FM25C160为例，如图10所示，其SPI协议有操作指令来控制。FM25C160引脚功能如表2所示。当片选信号有效时（/CS=0） ，对FM25C160 操作的第一个字节为命令字，紧接其后的是 11 位有效地址和传送数据。FM25C160 操作指令集共有6条指令，可分为3类：第一类为指令后不接任何操作数，该类指令用于完成某一特定功能。包括WREN 和WRDI；第二类为指令之后接一个字节，这类指令可用来完成对状态寄存器的操作。包括RDSR和WRSR；第三类是对存储器进行读写操作
33、的指令， 该类指令之后紧接着的是存储器地址和一个或多个地址数据。包括READ和WRITE。所有的指令，地址与数据都是以MSB（最高有效位）在前的方式传送。表2 FM25C16引脚定义引脚号引脚名称I/O功能1/CSI片选2SOO串行数据输出3/WPI写保护输入4VSSI接地端5SII串行数据输入6SCKI串行时钟输入7/HOLDICPU暂时中断对FM25C16的操作8VCCI+5V电源FRAM存储器的典型应用：FRAM技术的多功能性满足多种不同的应用。很明显，更高的读写次数和更快的读写速度使得FRAM在可多次编程应用中比EEPROM性能更加优越。 其应用主要包括：数据采集和记录，存储配置参数(
34、Configuration/Setting Data)，非易失性缓冲(buffer)记忆和SRAM的取代和扩展等。 3.4数据传输3.4.1 I/O接口电路I/O(Input/Output)接口电路分为I/O设备和I/O接口两个部分，在POSIX兼容的系统上，例如Linux系统，I/O操作可以有多种方式，比如DIO、AIO，不同的I/O方式有不同的方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的I/O方式。输入输出I/O流可以看成对字节或者包装后的字节的读取就是拿出来放进去双路切换；实现联动控制系统的弱电线路与被控设备的强电线路之间的转接、隔离，以防止强电窜入系统，保障系统的安全；与专线控制盘连
35、接，用于控制重要设备；插拔式结构，可像安装探测器一样先将底座安装在墙上，布线后工程调试前再将切换模块插入底座，易于施工和维护。I/O接口的工作流程：预读是指采用预读算法在没有系统的I/O请求的时候事先将数据从磁盘中读入到缓存中，然后在系统发出读I/O请求的时候，就会实现去检查看看缓存里面是否存在要读取的数据，如果存在(即命中)的话就直接将结果返回，这时候的磁盘不再需要寻址、旋转等待、读取数据这一序列的操作了，这样是能节省很多时间的;如果没有命中则再发出真正的读取磁盘的命令去取所需要的数据。缓存的命中率跟缓存的大小有很大的关系，理论上是缓存越大的话，所能缓存的数据也就越多，这样命中率也自然越高，
36、当然缓存不可能太大，毕竟成本在那儿呢。如果一个容量很大的存储系统配备了一个很小的读缓存的话，这时候问题会比较大的，因为缓存的数据量非常小，相比整个存储系统来说比例非常低，这样随机读取(数据库系统的大多数情况)的时候命中率也自然就很低，这样的缓存不但不能提高效率(因为绝大部分读IO都还要读取磁盘)，反而会因为每次去匹配缓存而浪费时间。执行读I/O操作是读取数据存在于缓存中的数量与全部要读取数据的比值称为缓存命中率(Read Cache Hit Radio)，假设一个存储系统在不使用缓存的情况下随机I/O读取能达到150IOPS，而它的缓存能提供10%的缓存命中率的话，那么实际上它的IOPS可以达
37、到150/(1-10%)=166。回写：用于写功能的那部分缓存被称为写缓存(Write Cache)。在一套写缓存打开的存储中，操作系统所发出的一系列写IO命令并不会被挨个执行，这些写IO的命令会先写入缓存中，然后再一次性的将缓存中的修改推到磁盘中，这就相当于将那些相同的多个IO合并成一个，多个连续操作的小IO合并成一个大的IO，还有就是将多个随机的写IO变成一组连续的写IO，这样就能减少磁盘寻址等操作所消耗的时间，大大的提高磁盘写入的效率。读缓存虽然对效率提高是很明显的，但是它所带来的问题也比较严重，因为缓存和普通内存一样，掉点以后数据会全部丢失，当操作系统发出的写IO命令写入到缓存中后即被
38、认为是写入成功，而实际上数据是没有被真正写入磁盘的，此时如果掉电，缓存中的数据就会永远的丢失了，这个对应用来说是灾难性的，目前解决这个问题最好的方法就是给缓存配备电池了，保证存储掉电之后缓存数据能如数保存下来。和读一样，写缓存也存在一个写缓存命中率(Write Cache Hit Radio)，不过和读缓存命中情况不一样的是，尽管缓存命中，也不能将实际的I/O操作免掉，只是被合并了而已。控制器缓存和磁盘缓存除了上面的作用之外还承当其他的作用，比如磁盘缓存有保存IO命令队列的功能，单个的磁盘一次只能处理一个I/O命令，但却能接收多个IO命令，这些进入到磁盘而未被处理的命令就保存在缓存中的I/O队
39、列中。如图11所示，I/O接口电路有输入输出两个部分，输入接口由PC1PC8的光耦组和与之相连的电阻组成,主要用于信号采集；而输出部分由U7和与之相连的电阻组成用于角度信号输出。图11 I/O接口电路3.3.2 编码器输入输出接口编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”。编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋
40、转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的；因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的；不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数
41、确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的；因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的；不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸
42、多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。而本设计中也选择绝对型编码器，绝对型编码器在此更能准确记录角度变化。本编码器输入输出接口如图12所示，PC13PC15和U9组成输入接口，接受编码器输出的信号；U10和与之相连的电阻组成输出电路，用于编码器的输出信号。图12 编码器输入输出口图4软件设计4.1系统主程序流程参见图13，本设计数字信号处理器中的软件程序由初始化模块、主程序、断电中断、1ms中断、50us中断5部分组成。程序初始化模块主要硬件初始化、人机界面模块。1ms中断用于扫描较低指示灯、数码管及按键。50us中断执行控制处理，由电子凸轮、生产
43、计数、上四点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理几个模块组成。开始是是否否端口初始化定时器初始化曲线选择启动键是否按下曲线程序停止键是否按下停止图13 主程序流程图4.2初始化程序流程如图14所示初始化模块程序执行时，先进行系统初始化，主要初始化DSP的时钟锁相环、看门狗、片内位设时钟初始化等；然后，立即初始化DSP和SPIA外设，接着程序通过SPIA复位外部芯片74HC595，刷新面板角度指示灯和数码管；接着程序初始化DSP的输入引脚，按照设计要求，将一些脚配置成输入口，一些配置成输出口，还有部分引脚配置成片内外设的输入输出口；随后程序初始化片内外设的中断扩展模块（PIE）和中断向量表
44、，将中断程序入口地址映射到中断向量表，程序还在这里使能响应的中断寄存器，本电路的中断源有3个：50us周期中断、1ms周期中断、电源检测掉电中断;然后，程序初始化EPWM模块内的定时器1、2，将Tiner1配置成50us周期，定时到后产生一个定时中断，同样也将Timer2配置成1ms周期中断；接着程序初始化参数存储器FRAM与DSP的接口SPIB外设，初始化片内正交编码脉冲电路（QEP）；然后程序将初始化程序变量，如果发现FRAM存储器内部两个标志未置，则说明FRAM存储器从来没有写入数据，程序将进行恢复默认值操作。初始化完变量后，程序将初始化QEP外设的脉冲计数存储器，并计算出当前角度。程序
45、将初始化DSP的FLASH寄存器，同时将初始化SLASH程序复制到DSP内部RAM执行，最后程序使能全局中断寄存器，进入主程序模块。控制软件主程序初始化模块1ms中断模块50us中断模块断电中断模块写FRAM模块人机界面模块扫描角度指示灯、数码管及按键电子凸轮生产计数上死点停机处理测速输入输出处理第二角度处理main程序FLASH初始化图14 初始化模块程序4.3写FRAM处理流程如图15所示，初始化完成后，系统进入主程序模块的写FRAM存储器处理。当用户修改了参数，并且保存修改的时候，程序将进行写DRAM存储器操作，程序先写与之的身缠计数参数，在写电子凸轮参数、机床参数、报警历史记录和校验和
46、，最后清除磁轭FRAM存储器标志后退出。写FRAM存储器模块，采用了冗余备份方法，有效降低了参数一万出错的机会。清除写RAM标志写和检验值写报警历史记录写机床参数写电子凸轮参数写生产计数 图15 写FRAM存储器处理4.4人机界面模块人机界面模块流程如图16所示，程序进入人际界面模块，这里又分成角度值石凳和数码管书安心处理、状态显示处理、坚实模式处理、与之生产技术模式处理、电子凸轮参数模式处理和机床参数处理等。因为有2排数码管，为了便于修改参数，在用户进入编辑模式的时候，被编辑的参数将闪烁显示。然后，程序进入报警处理，根据报警状态寄存器的值，查出相应的报警号。接着，程序进入界面模式判断处理如果
47、状态显示模式，程序调用状态显示模式程序，进入状态显示模式，否则判断是否是预置生产技术参数模式。如果是预置生产技术参数模式，调用预置生产技术参数模式程序，否则判断判断是否进入电子凸轮参数模式。如果是，则调用电子凸轮参数模式程序，否则判断是否是机床参数模式。如果是机床参数模式，将调用机床参数模式程序。其中电子凸轮参数模式和机床参数模式均有密码保护功能。在压机运转过程中，程序禁止用户修改参数的任何操作。YYYNNNNNYY角度指示灯刷新处理数码管闪烁处理报警显示标志=1主菜单清0标志=1状态显示模式监视显示模式预置生产计数模式主菜单清0复位相应标志位电子凸轮参数模式调机床参数模式程序结束调状态显示模式程序调监视显示模式程序调预置生产计数模式程序调电子凸轮参数模式程序图16 人机界面模块4.5掉电中断处理断电保存参数冗余备份参数清除中断标志中断返回图17 掉电中断电源检测掉电中断主要是保存一些重要数据。因为用的是增量编码器，所以观点前需要保存当前角度，此外还需要保存当前生产计数和掉电时压力机是否在运转。电源检测掉电终端的流程是先备份掉电时需要保存的参数、当前角度和当前生产计数值。程序将当前生产角度、生产计数值保存进FRAM存储器。为了降低写FRAM存储器衣外出错的几率，在此处写FRAM
