基于DSP的冲床装模高度监控系统研究

于小宁, 杨建华， 郭 浩， 许应康

(1.西安工业大学科技处， 陕西 西安 710032； 2.西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710032; 3.陕西电力建设总公司, 陕西 西安 710032； 4.西北工业大学动力与能源学院, 陕西 西安 710072)

0 引 言

在实际生产中，传统调模的工作都是通过人工来完成的，调模时间长，且同样的模具由于每次调模的高度不同导致了制件质量批次与批次不一致，这样既影响了生产效率，也影响了产品质量，增加了生产成本.

文献[1]采用了基于PIC16F877A单片机的装模高度控制器系统,由于单片机结构相对简单,精度很难提高,计算速度也跟不上调模的要求,因此无法完全满足系统要求.针对实际生产中存在的问题，本文提出了一种以DSP为核心的控制系统,利用DSP强大的处理数据能力,通过采集冲床装模高度,将设定高度与采集高度进行比较,控制单相交流电机，再由电机带动蜗杆来调整实际的装模高度，避免了常规人工调整方法因不准确与误操作对模具和零件的损坏，有效地保证了冲床制件的质量.同时，该系统采用串口通信方式可实现DSP系统与上位机的通信，实现了远程监控.该监控系统很好地解决了实际生产中存在的问题，提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本.

1 系统结构

冲床装模的高度指模具闭合后的高度，也就是冲床在下死点时滑块底面和工作台面的距离，如图1所示，H为装模高度，装模高度因模具不同而不同.本文以C型双曲轴冲床为例，其最大装模高度是450 mm，滑块调整量是200 mm，闭合高度为250～450 mm.装模高度是可以调节的，通过控制电机的正反转来调整装模高度[1].

如图2所示，整个控制系统采用的是闭环系统，它是由给定输入、控制器、执行部分和位移传感器的反馈部分组成并通过设定高度输入，由控制器判断启动执行元件驱动电机进行调整，反馈元件位移传感器测量实际位移量并再一次与设定高度值进行比较调整的一个闭环过程，直到达到调整的高度值为止.

图1 冲床工作示意图

图2 冲床装模高度监控系统原理图

图3 硬件结构示意图

以DSP为核心的控制系统分为4个部分，如图3所示，分别是数据采集部分、电机控制部分、显示部分和与上位机通信部分.

(1)本文选用TMS320F2812作为主处理器的控制系统，TMS320F2812是美国TI公司推出的32位定点DSP芯片[2]，该芯片既具有数字信号处理能力，又有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据的测控领域.根据冲床调模的实际要求，TMS320F2812能够完全满足精度和快速性要求.

(2)传感器选用FWD-L系列磁致伸缩位移传感器，该传感器是非接触式，具有高分辨率、高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快和工作寿命长等特点.该传感器提供多种输出模式，包括模拟量的电压和电流，数字量的 RS485等，数字量输出信号可以提供多个位置和速度输出，安装方式采用连接件形式置于滑块的外部.

(3)与上位机通讯部分采用RS-232串行通讯设计，最常用的是基于MAX232芯片的电平转换电路[3]，但是由于MAX232为5 V供电，本系统采用3.3 V供电的MAX3232芯片，因此不需要额外的电平转换电路，可以与F2812共用3.3 V电源，F2812上的管脚SCITXDA与SCIRXDA是为SCI串口服务的，将数据经MAX3232转换电平后直接送入PC机.

(4)TLV5617是一款串行通信的D/A转换芯片[4].F2812通过串口MCLKXA、MFSXA和MDXA将数据传送给TLV5617，再由TLV5617完成D/A转换.MCLKXA为TLV5617提供时钟信号，MFSXA与TLV5617的片选端相连，MDXA向TLV5617串行输出16位的数据.

(5)A/D转换模块的选择.TMS320F2812芯片内部集成了16路12位A/D转换模块, 可配置成两个独立的8通道模块，也可以级联构成一个16通道模块,模拟量信号采样输入范围是0～3 V, ADC时钟可以配置为25 MHz, 控制板上的AD采样接口接收来自位移传感器的模拟量信号，然后导入DSP的ADC模块.16个结果寄存器存放ADC的转换结果，转换后的数字量表示为[5]：

2 软件设计

装模高度控制系统主要由数据采集部分、键盘输入和LCD液晶显示部分、DSP与上位机通信部分、数据处理部分和执行部分组成.DSP的软件设计采用C语言和汇编语言混合编程.系统初始化和数据采集部分采用汇编语言实现，可提高程序代码效率，节省CPU时间.其他部分采用C语言编程，以增强程序的可读性，便于调试.系统设计环境采用TI公司的集成开发环境CCS2.21，即Code Composer Studio Version 2.21，它是一种针对标准TMS320调试接口的集成开发环境[6].

2.1 系统总体软件流程

如图4所示，冲床装模高度监控系统启动后首先对DSP进行初始化, 系统初始化主要是对TMS320F2812本身及其片内和片外各种外设、接口、标志等状态进行初始化，具体包括关闭可屏蔽中断，清除中断标志;初始化装模高度;初始化ADC、GPIO、SCI、外部中断、定时器等片内外设;初始化LED显示器;设置EEPROM读写保护方式和获取存储首地址;启动计时定时，打开中断.然后，读取键盘输入设定高度数据，将设定高度数据存储于片内寄存器,调用数据采集子程序采集装模高度数据，通过对获得的信息进行比较处理启动装模高度调整电机.经调整直到测量高度达到输入设置要求的高度，系统停止装模高度调整工作过程，机器被切换进入正常的工作状态，且保持并显示最终的装模高度值.

图4 冲床装模高度监控系统主程序流程图 图5 TMS320F2812串口通信流程图

2.2 通信部分软件设计

在工业控制领域中，常常利用简便易用的串行通信方式作为上位机与DSP的数据交换手段，在装模高度监控系统中采用串行通信方式将数据采集和电机控制装模高度等信息实时上传给PC机.TMS320F2812支持异步外设之间的RS232串行通信，内部有专门的串行通信模块，具有以下特点[7，8]：发送和接收均有双缓冲器;可编程的64 k种不同的波特率;可编程的1～8位数据长度;奇偶校验、过载、帧错误和间断监测共4个错误检测标志;空闲线和地址位两种唤醒多处理器方式;半双工或者全双工操作;可工作于中断或者查询方式,具有独立的接收和发送中断使能位.

设计TMS320F2812串行通信软件可采用查询和中断两种方式，本设计中采用中断方式来实现系统数据的接收和发送.TMS320F2812的2个SCI总共包括26个寄存器[9，10],其中控制寄存器有SCICCR、SCIPRI、SCICTL1和SCICTL2;设置波特率的寄存器有SCIHBAUD和SCILBAUD;状态寄存器有SCIRXST;缓冲寄存器有SCIRXEMU、SCIRXBUF和SCITXBUF，另外还有TMS320F2812的SCI独有的FIFO寄存器SCIFFTX、SCIFFRX和SCIFFCT.通过设置模块的控制寄存器来设置通信方式，TMS320F2812串口通信通信流程图如图5所示.

3 结束语

本文分析了实际工厂冲床装模中存在的精度低、装模速度慢等问题,提出了建立以TMS320F2812为核心的装模高度监控系统，设计了装模高度监控系统的软、硬件,通过SCI串口实现了DSP与上位机的通信及远程监控，经过安装和调试,系统运行良好,速度和精度完全满足实际要求.

参考文献

[1] 许应康,吴亚锋,孙 健.基于PIC16F877的冲床装模高度监测控制器设计[J]．机床与液压，2008,36(11)：47-50.

[2] 姚 金,王彦梅.TMS320F2812在电机控制系统的设计及应用[J].仪表技术，2007，(3):31-32.

[3] TMS320C2810, TMS320C2811, TMS320C2812 Digital Signal Processors Data Manual[R]，2001.

[4] TI. TLV5617A a dual 10-bit voltage output DAC Datasheet[R],2000.

[5] 梁建宝.基于TMS320F2812的微孔钻削在线监控系统研究[D].长春：吉林大学硕士学位论文，2008：18-19.

[6] 徐科军.TMS320X281XDSP原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[7] Tiwari, Shyam.Design a bisible optical link for RS-232C communications[J].EDN, 2003, 48(1):72-76.

[8] TEXAS INSTRUMENTS.TMS320F28x DSP Serial Communication Interface (SCI) Reference Guide[R]. Literature Number：SPRU051A，2003.

[9] TI.Hardware Design Guidelines for TMS320F28xx and TMS320F28xxx DSCs[R],2008.

[10] TI.TMS320F281x DSP System Control and Interrupts Reference Guide[R],2008.