一种基于图编程的AOI运动控制系统设计

陈国龙，钟 靖，张正荣，邬惠峰*

(1.杭州电子科技大学计算机学院，浙江杭州310018;2.浙江欧威科技有限公司，浙江温州325000)

0 引 言

PCB-AOI(automatic optic inspection)全称是自动光学检测，是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行检测的设备［1-2］。目前，国内外该设备的运动控制系统基本都采用基于PC机的运动控制系统。基于PC的运动控制系统采用的运动控制卡，具有控制简单、性能稳定、精密度高等优点［3-4］，但其运动控制功能固定，不可编程，若设备需要实现一些特殊的运动功能，而原先系统基本不能达到要求，只有寻求新的具有该功能的运动控制卡。其次，其容易受PC机操作系统稳定性及线程调度等影响，导致在运动过程中出现死机、线程阻塞等，且目前电脑PCI插槽越来越少，这些因素导致PCB-AOI急需寻找一种更好的开放式运动控制系统［5-7］。

本研究提出一种基于图编程、4层程序架构的PCB-AOI运动控制系统的设计，该设计采用内存共享技术，在引擎中嵌入梯形图，使得用户可以嵌入自己的运动算法，这种设计模块化，结构清晰，易移植，用户可以轻松实现复杂或者特定的运动控制算法和多轴同步控制［8-9］。

控制系统硬件采用CASS嵌入式PLC，该嵌入式PLC采用双核ARM芯片，性能稳定，控制简单，定位精度高，同时配有CASS嵌入式开发平台，方便开发［10-11］。

1 系统硬件结构

该系统的硬件主要由控制主机、多轴运动控制器(CASS嵌入式PLC)、光源系统、镜面反射系统、相机系统等构成，控制系统的硬件结构如图1所示。

其中，多轴运动控制器采用双核ARM、CPLD技术，使其对电机具有优越的控制性能:①多种控制功能(逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序控制等)、数据采集、存储与处理功能、通信联网功能、输入输出功能、在线调试功能、梯形图编程等;②可以根据运动过程和目标的需求，实现多轴的同步运动控制和插补运动控制;③能够实现全闭环运动控制，保证控制的精度;④能够及时处理运动过程中出现的异常情况等。光源系统采用LED，使用电流大小可调的恒流源驱动，保证了在不同环境下，为相机提供足够的亮度。

图1 控制系统的硬件结构

系统在开始扫描PCB电路板前，首先，对各轴进行复位，各轴回到其限位原点，相机系统进行初始化，待点击开始检测后，上位机根据电路板的厚度，光源系统，相机系统运动到预设位置，打开光源，将电路板的图像经镜面反射系统传送到CCD相机上，CCD相机将图像进行预处理后传回给主机进行分析，整个扫描流程结束。系统设计人员在平台Y轴方向加上光栅尺，一方面由于光栅尺的加入，与控制系统形成全闭环控制，控制系统对位置的采样点直接作用于工作平台，使得控制精度更高。另一方面，光栅尺给CCD相机检测系统提供脉冲反馈，相机根据该脉冲进行图像采集。

2 系统软件架构

在综合目前AOI运动控制系统的不足以及对现有硬件的充分了解下，本研究提出了4层程序架构的系统软件设计，控制系统的软件架构如图2所示。

图2 控制系统的软件架构

(1)视图界面层。视图界面层为用户提供交互式操作界面，同时处理各类数据，运动方式，由用户在软件Visual Studio 2008上开发。本研究也开发了Demo软件，方便用户进行系统的运动控制测试。

(2)DLL层为各运动函数、读写操作函数封装，在此设定了用户数据，用户命令，进行了串口设置，实现了对下位机的读写操作，用户在编写视图界面层时只需直接调用该层即可。

(3)逻辑控制层，即梯形图程序层，包含了I/O逻辑和运动控制逻辑，数据命令的接口封装，是实现运动控制功能的核心，由于这种多层结构将逻辑和驱动分开，使得运动逻辑和运动算法独立于硬件，保证了控制器软件开发的开放性。

(4)引擎驱动层主要实现硬件驱动、通信管理和命令处理。硬件驱动主要包括PWM驱动输出、I/O驱动、电机方向控制及电机位置信息采集的处理等。

3 图编程实现原理

本研究采用杭州电子科技大学智能与软件研究所开发的CASS嵌入式开发平台，根据AOI运动控制逻辑，用符合IEE61131-3标准的梯形图编程语言编写对应的梯形图程序。通过预编译器将梯形图程序编译成与目标CPU无关的中间代码;由代码生成器将中间代码翻译成目标CPU的C代码或汇编代码;再由编译链接程序调用该代码，编译生成对应硬件平台控制器的专用机器语言，嵌入到引擎驱动层中，构成系统运行程序。在CASS嵌入式PLC系统中，主CPU在其内存的全局变量区开辟一片空间CassMem，主卡CPU内存分配如图3所示，用于存放PLC运行程序的软元件，根据软元件的不同，分为M(辅助继电器)、X(输入继电器)、Y(输出继电器)、VD(数据存储器)、S(状态器)、T(定时器)、C(计数器)，并用这些软元件来管理系统的内存分配。同时为了实现PLC对运动过程的控制，本研究还在CassMem中专门开辟一片区域用于存放运动控制相关的数据和命令，其中辅助继电器M用于存放运动控制命令和运动状态，数据寄存器D用于存放运动数据。CassMem中各软元件的功能说明如表1所示(其中，x代表轴号，其值为0～6)。

表1 运动参数内存对照表

有了这些运动控制指令和数据参数的支持，用户只需将相关参数和运动轨迹或者运动算法通过梯形图逻辑描述，便可定制各类运动，这极大地保证了该设计的可编程性和开放性。图编程是该设计的核心，其与各层间的交互方法在后文将会详细阐述。同时在该系统设计中加入各类错误检测逻辑，保证在系统遇到突发错误时能够及时检测，并做出相应动作，保证安全。如定点运动，上位机传递有关的控制参数(如坐标零点、起始位置、加减速度、目标位置、运动模式、操作等)，AOI平台即完成指定的运动。电机运行的一个梯形图简例如图4所示。该简例展示了通过软元件编程实现的电机运行。

图3 主卡CPU内存分配

图4 电机运行

4 DLL层与逻辑控制层的交互

本研究利用串口通信模块使DLL层与逻辑控制层进行交互，即实现对梯形图层中软元件的读写。

交互的关键:①保证通信的稳定和安全性;②将梯形图中的各软元件与内存中的实际物理地址的转换。

串口通信采用主请求/从响应模式，ModBus协议，即保证了通信的安全和稳定性，其数据帧格式如表2、表3所示。地址转换则是根据内存分配方式计算其真实物理地址。一个两层间的交互过程图如图5所示。在DLL层中先寻找可用串口，初始化板卡，若有读写操作，则进行地址转换，改变梯形图层相应数据，进而执行相应动作。

表2 主站发送帧的格式

表3 从站发送帧的格式

图5 DLL层与逻辑控制层交互的实现

5 逻辑控制层与引擎驱动层的交互

逻辑控制层和引擎驱动层是通过内存共享来进行交互的，主要体现在两层之间的执行关系和数据交互上。两层程序分别储存在主卡CPU的Flash上，其中引擎驱动由Keil平台编译器编译成目标二进制文件，逻辑控制层程序经过一系列编译后，生成支持硬件控制平台的专用机器语言，嵌入到引擎驱动层中，完成系统运行程序。

逻辑控制层和引擎驱动层的执行关系如图6所示，其中BootLoader程序是系统程序下载的引导程序，其工作原理为:在上位机有更新系统软件程序的请求时，BootLoader程序首先通过串口接收待更新的程序，然后将程序写入指定的flash程序存储区;若上位机无更新软件程序的请求，则直接跳入主程序。

在进入主程序后，系统首先执行初始化程序，即对硬件端口初始化、参数初始化、内存空间分配等，然后进入主循环，等待触发任务。

从任务角度来看，该系统的任务主要有3类:梯形图扫描任务、运动控制任务和通信任务。其中，梯形图层为周期扫描任务，由定时器触发，为了保证对运动控制命令的快速响应，本研究只在中断中置起事件标志位，而不进行周期扫描，具体的周期的扫描则在主循环中进行。运动控制任务和通信任务都由事件触发，运动控制任务由梯形图扫描程序触发，当程序检测到有运动任务时，就调用相关的运动指令，执行运动输出。通信任务则为梯形图根据逻辑过程进行触发，同理为了保证数据完整性，在中断处不处理数据，仅置起事件标志，所有数据都在循环中处理。

图6 逻辑控制层与引擎驱动层的执行关系

逻辑控制层和引擎驱动层之间的数据交互则是通过内存共享，如上所述，逻辑控制层用软元件来管理内存分配，即在主卡的内存中使用一段空间作为两层之间公共数据区CassMem，两层间数据处理都来自该公共数据区，实现内存共享。

6 系统应用

根据本研究的设计方法设计出来的基于图编程的运动控制系统AOI的实物图如图7所示。PCB-AOI在一般情况下扫描一块PCB板时的运动参数及误差精度表如表4所示。其中扫描来回一次称为一次扫描，一块小型PCB板要扫描3次才能完成，设定伺服驱动器每旋转一圈的脉冲为10 000，电机齿轮周长为20 mm，即脉冲比为500 p/mm(脉冲每毫米)，从表4中可以看出，实际效果满足PCB-AOI运动精度要求，且运行稳定。

图7 基于图编程的运动控制系统AOI实物图

表4 实际扫描参数及误差精度表

7 结束语

针对当前AOI采用的基于PC机的运动控制系统，其运动控制功能固定，不可编程，本研究提出了一种基于图编程，4层程序架构的PCB-AOI运动控制系统的设计。该设计使得系统的开放性非常高，用户对于不同机型、不同运动方式，嵌入自己的运动算法，从而轻松达到运动需求。同时经实践证明，该系统运动控制精度高，运动功能全，实时性强，开放性高，具有很大的推广价值。

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