基于S12X雙核微控制器的染色自動(dòng)化控制器

長(zhǎng)期以來(lái)，染色工藝過(guò)程都是由通用型溫度控制器配合人工操作來(lái)完成。這種基于通用型溫度控制器的人工控制染色方式很難保證工藝上所要求的嚴(yán)格的升、降溫變化速率，而且不同的工人在操作同一種工藝要求時(shí)也會(huì)產(chǎn)生差異，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。同時(shí)染色車間溫度高、濕度大，操作人員的勞動(dòng)條件十分惡劣，也在一定程度上影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一套染色自動(dòng)化控制器，主要用于實(shí)現(xiàn)染色工藝的單機(jī)控制，完成階梯升溫染色工藝的設(shè)置和顯示、自動(dòng)化控制等功能，并為接入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)預(yù)留接口。
1 方案設(shè)計(jì)
在染色工藝過(guò)程中，染缸內(nèi)、外缸的溫度檢測(cè)采用PT100溫度傳感器；階梯升溫工藝采用PID算法控制電磁閥對(duì)染液實(shí)現(xiàn)溫度的控制；在保溫階段，利用固態(tài)繼電器控制卷筒直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)布料的均勻染色。
染色自動(dòng)化控制器采用MC9S12XDP512微控制器作為控制核心，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)分為人機(jī)交互單元、現(xiàn)場(chǎng)控制單元和CAN總線單元三部分。其中，人機(jī)交互單元由數(shù)碼顯示、LED顯示和鍵盤輸入部分組成，用于染色工藝的設(shè)置、顯示以及運(yùn)行狀態(tài)的顯示、報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元采用并行總線，擴(kuò)展了12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，采樣由PT100檢測(cè)、經(jīng)過(guò)調(diào)理過(guò)的溫度信號(hào)，采用PID算法控制染液溫度；同時(shí)完成織物正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)染色工藝過(guò)程自動(dòng)化控制。CAN總線單元采用MC9S12XDP512內(nèi)置CAN模塊，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)架。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 MC9S12XDP512
MC9S12XDP512是Freescale公司生產(chǎn)的新一代16位微控制器，以增強(qiáng)型HCS12內(nèi)核為基礎(chǔ)，集成了外設(shè)協(xié)處理器XGATE[2]。
XGATE是一個(gè)獨(dú)立于HCS12X主CPU的可編程RISC內(nèi)核，可作為高效的DMA控制器，在外設(shè)與RAM之間自主地進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送，并在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)處理。
XGATE精簡(jiǎn)指令集內(nèi)核中有8個(gè)16位通用寄存器R0～R7，1個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC，1個(gè)4位的條件碼寄存器CCR。XGATE共有72條獨(dú)立指令，指令時(shí)鐘最高可達(dá)100 MHz，是HCS12X主CPU總線速度的2倍；可訪問(wèn)64 KB的片內(nèi)空間，包括2 KB的片上外設(shè)寄存器、30 KB的片上FLASH和最大32 KB的片內(nèi)RAM。
2.2 XGATE的編程
XGATE的代碼執(zhí)行是由事件（中斷）驅(qū)動(dòng)的，圖3所示為S12X系統(tǒng)微控制器的典型中斷處理過(guò)程。其中，中斷的配置寄存器INT_CFGDATAx決定了該中斷的處理內(nèi)核及中斷優(yōu)先級(jí)。如果RQST位置為1，則選擇XGTE協(xié)處理器處理當(dāng)前中斷；反之則選擇HCS12X主處理器。當(dāng)XGATE的中斷服務(wù)程序處理結(jié)束后通知HCS12X，并將處理結(jié)果提交給HCS12X。這樣HCS12X只需關(guān)注上層的控制算法，而與底層密切相關(guān)的硬件操作由XGATE處理，極大地提高了系統(tǒng)性能[3]。

在紡織工業(yè)中，染色工藝過(guò)程是紡織品上色的一個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。布料染色要求在不同的升溫、降溫過(guò)程中嚴(yán)格按照一定的升溫速率或降溫速率進(jìn)行，而且對(duì)于不同的染料、不同的紡織品，所要求的染液溫度變化曲線也不同[1]。圖1所示為實(shí)際生產(chǎn)中的一個(gè)典型階梯升溫工藝示意圖。該工藝分為3段：第1段保溫溫度為80 ℃，保溫時(shí)需要正反轉(zhuǎn)的次數(shù)(道數(shù))為1道；第2段保溫溫度為90 ℃，道數(shù)為1道；第3段保溫溫度為135 ℃，道數(shù)為2道。

長(zhǎng)期以來(lái)，染色工藝過(guò)程都是由通用型溫度控制器配合人工操作來(lái)完成。這種基于通用型溫度控制器的人工控制染色方式很難保證工藝上所要求的嚴(yán)格的升、降溫變化速率，而且不同的工人在操作同一種工藝要求時(shí)也會(huì)產(chǎn)生差異，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。同時(shí)染色車間溫度高、濕度大，操作人員的勞動(dòng)條件十分惡劣，也在一定程度上影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一套染色自動(dòng)化控制器，主要用于實(shí)現(xiàn)染色工藝的單機(jī)控制，完成階梯升溫染色工藝的設(shè)置和顯示、自動(dòng)化控制等功能，并為接入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)預(yù)留接口。
1 方案設(shè)計(jì)
在染色工藝過(guò)程中，染缸內(nèi)、外缸的溫度檢測(cè)采用PT100溫度傳感器；階梯升溫工藝采用PID算法控制電磁閥對(duì)染液實(shí)現(xiàn)溫度的控制；在保溫階段，利用固態(tài)繼電器控制卷筒直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)布料的均勻染色。
染色自動(dòng)化控制器采用MC9S12XDP512微控制器作為控制核心，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)分為人機(jī)交互單元、現(xiàn)場(chǎng)控制單元和CAN總線單元三部分。其中，人機(jī)交互單元由數(shù)碼顯示、LED顯示和鍵盤輸入部分組成，用于染色工藝的設(shè)置、顯示以及運(yùn)行狀態(tài)的顯示、報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)控制單元采用并行總線，擴(kuò)展了12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，采樣由PT100檢測(cè)、經(jīng)過(guò)調(diào)理過(guò)的溫度信號(hào)，采用PID算法控制染液溫度；同時(shí)完成織物正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)染色工藝過(guò)程自動(dòng)化控制。CAN總線單元采用MC9S12XDP512內(nèi)置CAN模塊，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)架。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 MC9S12XDP512
MC9S12XDP512是Freescale公司生產(chǎn)的新一代16位微控制器，以增強(qiáng)型HCS12內(nèi)核為基礎(chǔ)，集成了外設(shè)協(xié)處理器XGATE[2]。
XGATE是一個(gè)獨(dú)立于HCS12X主CPU的可編程RISC內(nèi)核，可作為高效的DMA控制器，在外設(shè)與RAM之間自主地進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送，并在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)處理。
XGATE精簡(jiǎn)指令集內(nèi)核中有8個(gè)16位通用寄存器R0～R7，1個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC，1個(gè)4位的條件碼寄存器CCR。XGATE共有72條獨(dú)立指令，指令時(shí)鐘最高可達(dá)100 MHz，是HCS12X主CPU總線速度的2倍；可訪問(wèn)64 KB的片內(nèi)空間，包括2 KB的片上外設(shè)寄存器、30 KB的片上FLASH和最大32 KB的片內(nèi)RAM。
2.2 XGATE的編程
XGATE的代碼執(zhí)行是由事件（中斷）驅(qū)動(dòng)的，圖3所示為S12X系統(tǒng)微控制器的典型中斷處理過(guò)程。其中，中斷的配置寄存器INT_CFGDATAx決定了該中斷的處理內(nèi)核及中斷優(yōu)先級(jí)。如果RQST位置為1，則選擇XGTE協(xié)處理器處理當(dāng)前中斷；反之則選擇HCS12X主處理器。當(dāng)XGATE的中斷服務(wù)程序處理結(jié)束后通知HCS12X，并將處理結(jié)果提交給HCS12X。這樣HCS12X只需關(guān)注上層的控制算法，而與底層密切相關(guān)的硬件操作由XGATE處理，極大地提高了系統(tǒng)性能[3]。