基于ARM7的金相切割机控制系统设计
汪洋，孙维连，王会强，孙铂
(河北农业大学，河北保定071001)
摘要：针对金相切割机的特点，设计一种基于ARM7的切割机控制系统。主控芯片采用s3c4480x，步进电机驱动芯片采用A3977sED，给出_厂主控芯片与外围元器件之间的电路设计方法，A3977sED驱动板的典型应用电路，以及系统的软件设计。采用ARM7控制切割机三轴运动、主轴电机起停、LcD显示，相对于单片机控制系统具有处理速度快、可扩展能力强等优点，相对于PLc控制系统具有成本低、针对性强等优点，实践证明该切割机控制系统性能稳定，工作可靠。
O引 言
目前金相切割机在金相制样和金相实验领域应用广泛。通常，金相试样制备要经过取样、镶嵌、磨光和抛光等步骤。每个步骤都应细心操作，任一阶段上的失误都可能影响最后的结果。与机械行业中的金属切割、下料不同，金相试样的切割截取必须保持原有的组织状态，即必须保证所截取的试样的金相组织与原状态金相组织一致，这就要求：在截取试样的过程中试样受热、受外力作用要尽量小；配备良好的冷却系统，保证切口无过热和过烧现象；精确控制进给量的大小，保证试样变形小，光洁度高；砂轮切割机应配备精确的卡具和良好的运动机构，保证试样的切口垂直性好，切口余量小，零件装卡方便；切割机应有良好的防护，保证使用安全。针对上述要求，金相切割机应实现三轴运动，即垂直(z向)进刀和水平(Y向)进刀功能，及左右(X向)移动功能，方便截取试样。同时控制系统还要具有三轴速度控制、主电机调速、状态显示、故障报警以及控制冷却水泵、排烟风机和照明等功能。传统的切割机控制系统主要包括电气控制系统、单片机系统和PLc系统等。由继电器、接触器、按钮、主令开关等构成的电气控制系统，具有控制可靠、成本低等特点，但实现的功能较少。以单片机为控制核心，并附以必要外围电路构成的控制系统，控制逻辑由程序实现，能实现较复杂的控制过程，具有数字显示、故障复位等功能，成本较低。但主控芯片工作频率较低，构成的系统控制规模相对较小，扩展性较差。以PLc为核心的控制系统，PLc驱动三轴步进电动机运动，触摸屏作为控制终端，变频器实现主轴电机调速。它具有控制精度高、扩展能力强等特点，一般用于大型切割系统的控制，成本较高。
针对以上三种控制系统的缺点，本文利用高性价比和高性能的微控制器ARM7芯片，设计一种功能丰富、结构紧凑、经济性好，适用于中小型三轴运动金相切割机的专用控制系统。
1系统框架
整个系统由主控板协调各部分工作，包括驱动三相步进电动机运动，控制水泵、风机、照明和报警器工作接收限位开关和编码器信号，并提供友好的人机交互界面，包括液晶显示、指示灯、调速旋钮、控制按钮和远程手持控制等。通过变频器调整主轴电机转速并且反馈主电机的电流、扭矩等信息，实时了解切割机的运行状态。通过对循环冷却水泵、排烟风机、照明系统等的良好控制，保证切割机的稳定运行。整个系统框架如图1所示。
2系统硬件设计
系统设计重点为主控板和步进电动机驱动板。主控板以ARM7 s3c44130X为控制核心，实现对系统各部分的综合控制。步进电动机驱动板由两相步进电动机驱动芯片A3977sED及外围电路构成，具有半流控制和****8细分功能，能够满足本系统没计需求。
2．1主控板设计
s3c44BOX为三星公司推出的16／32位ARM7处理器，通过提供全面的、通用的片上外设，s3c44BOX大大减少了系统中除处理器以外的元器件配置，从而大大降低系统的成本。系统主控板采用核心板+底板设计方式，核心板为$3C44BOX最小工作系统，方便后期系统移植与扩展。底板设计根据切割机控制的实际需求对s3c44BOX进行硬件扩展。核心板布局如图2所示。
sDRAM采用HYNIx公司的HY57V641620HG芯片，容量为8 MB，用作系统内存；ROM采用FLAsH芯片AM29Lv160DB．容量为2 MB，存放用户程序；供电部分采用AMSlll72 5和AMSlll7—3 3，分别为s3c44BOX提供内核工作电压和I／O 口电压；晶振采用10．000 MHz石英晶振；预留JTAG(PINl4)，用于仿真调试程序。底板布局如图3所示。各芯片电路均采用芯片使用手册推荐接法。硬件扩展包括以下部分：
(1)调速旋钮(模拟量输入部分)采用3只电位器，经过电压调整电路分别输入到s3c44]30X的AINO AIN2脚，ARE盯、AREFB和AvcOM分别串接一个电容再接地。实现电压在O～2．5 v内可调，作为XYZ三向工进速度调节。
(2)控制按钮采用自锁按钮和主令开关，经过编码电路接入s3c44BOX的GPFO—GPF3脚，控制xyz三向的“快进”“工进”“正反”等运动。
(3)无线模块采用5 V无线超再生八位数据接收器，通过数字开关电路并接在控制按钮对应端，再配合8键800 m的遥控器构成手持无线控制系统，实现远程控制xYZ向运动及主轴电机的起停操作。
(4)限位开关采用自复式防水行程开关，共6只，通过与门电路分别接人s3c44]30X的ExINTUExINT2脚，作为XYZ三向运动限位。
(5)编码器采用OMRON增量式旋转编码器，y向配装600 P／R，z向配装2 000 P／R，编码器的A、B线分别接入s3c44]30X的ExINT3一ExINT6脚。编码器固定在步进电动机后端盖上，用弹性联轴器与电机主轴连接，用于防止步进电动机失步，构成对步进电机的闭环控制，保证切割精度。
(6)LcD显示采用320×240液晶，s3c44BOX的GPD[7：0]引脚的第二功能均是用于LcD的，依次为VFRAME、VM、VLlNE、VCLK和vD[3：0]．直接和LcD相连。另外，GPc[4：7 ]的第二功能是高4位数据VD[7：4 ]输出端，所以也是直接和LcD的Vd[7：4]相连。
(7)状态指示灯为15只LED，包括XYZ三向“快进”、“工进”、“正向”、“反向”共12只，主轴电机、水泵、风机指示灯3只，经过译码电路接人s3C44BOX的AIN4一AIN7脚。
(8)故障报警为1只声光报警器，由s3c44BOX的GPBl0脚通过驱动电路控制一只Dc 12 V继电器，进而控制报警器。
(9)冷却水泵、排烟风机和照明装置由s3c44]BOX的GPB6一GPB8脚通过驱动电路分别控制三只Dcl2V继电器，进而控制冷却水泵、排烟风机和照明装置的起停。
(10)xyz轴驱动板的脉冲信号由s3c44BOX的T0lTO-TOuT2脚通过光耦隔离后输出，方向信号由TOUT3、TOUT4及AIN3脚通过光耦隔离后输出：输出脉冲频率范围是0～5 kHz，电压范围是0～3．3 v。
(11)变频器由S3C44BOX的TxDl、RxDl脚经过MAX485芯片与OMRON变频器3G3MZ—A4037连接，控制主轴电机的起停，读取主轴电机的电流和扭矩信息等。另外，变频器故障报警端接人S3C44BOX的ExIN37脚，保证控制系统对变频器故障的响应；变频器复位端与S3C44BOX的GPF8连接，实现故障自动复位。
2．2步进电动机驱动板设计
A3977SED是两相步进电动机驱动芯片，具有fnll-，half-，quarter-和eighth-step四种细分控制，具有半流工作状态，有慢衰减、快衰减、混合衰减三种控制电流衰减模式，额定输出为+2．5 A／35 V。控制电压为3.0～5.5 V，可以驱动2.5 A以下两相步进电动机。通过合理布置外围电路，安装散热装置，可以方便地构成电流在3 A以下的两相步进电机驱动器。
驱动板电路如图4所示。驱动板细分设置由MSl、MS2脚控制。半流控制由74HCl23构成，当CLK有输出时，下降沿到来，REF输出正脉冲．A3977SED正常工作；当CLK无输出时，CLK为高电平，REF为低电平，A3977SED进入半流状态：PFD用于控制电流衰减模式：Vpfd>O.6Vdd为慢衰减模式，Vpfd
3系统软件设计
系统部分软件流程如图5所示。软件设计是在ADS 1.2的集成开发环境下采用C语言编写的，可以在Windows系统下运行。整个系统的软件主要分以下几部分：主控制程序、LCD程序、键盘限位指示灯扫描程序、脉冲发生程序、高速计数程序、485通讯程序、看门狗和RTC程序等。
系统主控制程序完成系统(硬件和软件)的初始化、输入扫描、输出口控制、485通讯和中断服务程序。LCD显示程序完成液晶屏显示初始化、清屏、反转显示、光标闪烁等动作和在液晶上显示用户界面的基本元素，如不同的字符、汉字、图形和表格等。脉冲发生程序利用$3 C44BOX定时器中断实现，中断函数中定时时间由A／D转换值计算得出即
其中dADc-data为A／D转换值。具体程序包括寄存器配置、中断使能函数、定时器初使化函数以及中断函数。485通讯程序完成包括变频器起停控制程序，电流、扭矩信息反馈程序等。与OM—RON 3G3MZ—A4037变频器使用MODBUS协议进行通讯，可以进行变频器的控制输入、频率的指令、变频器运转状态的监控，参数设定值的读取／写入等。变频器通讯相关寄存器设置为：(1)通信从站地址n9．00=1，(2)通信波特率n9．01=1(9 600 b／s)．
(3)通信错误检出时的动作选择n9．02=3(运转继续(无警告))，(4)485通信协议选择n9 03=l(7位AscⅡ码／偶校验／停止位1)，(5)通信送信等待时间n9．04=0，(6)通信超时检测时间n9．05=O。看门狗定时器。是当系统因噪声和干扰等情况“跑飞”时，实现自动复位，使用时需配置wTcON、wTDAT和wTcNT寄存器。系统时钟频率为64 MHz，看门狗定时器时钟=1／[64×10。／(255+1)／128]=O 000 512 s，wATcNT设为Oxoccc，复位时间间隔=OxO(：CC×0．000 512=1．677 s，即超过l 677 s系统自动复位。程序包括寄存器设置、中断使能函数、中断处理函数和看门狗初始化函数.RTc利用32.768 kHz的外部晶振提供时钟源，备用电源供电，使用时只要正确设置RTc的各个寄存器即可，程序包括setTime()、setDay()、setweek()3个设置函数。
4结语
本文设计了以三星公司ARM7芯片s3c44BOX为控制核心，利用A3977sED实现低成本的步进电动机驱动器，并设计了相应的软件系统，构成了功能丰富、性价比高的中小型三轴金相切割机控制系统。实现了工作台横向(x)O～300 mm／min速度可调，纵向(Y)O～800 mm／min速度町调，砂轮上下z向0～400mm／min速度可调，主电机转速l 000～3 000r／min无级可调，并设计了匀速直切、进三退一、逐层切割等切割方式，能够满足金相切割的使用要求。本设计对于提高国产金相切割机的技术水平，减轻操作人员劳动强度，降低切割机制造成本具有一定的意义。经过实践，基于该设计的金相切割机控制系统具有较强的功能性和可靠性，能够在保证可靠性的同时较好地满足金相切割的要求。
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