基于S12X雙核微控制器的染色自動化控制器

長期以來，染色工藝過程都是由通用型溫度控制器配合人工操作來完成。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也會產生差異，從而影響產品的質量和產量。同時染色車間溫度高、濕度大，操作人員的勞動條件十分惡劣，也在一定程度上影響了產品的質量。為了提高產品的質量并降低工人勞動強度，設計了一套染色自動化控制器，主要用于實現染色工藝的單機控制，完成階梯升溫染色工藝的設置和顯示、自動化控制等功能，并為接入現場總線控制系統(tǒng)預留接口。
1 方案設計
在染色工藝過程中，染缸內、外缸的溫度檢測采用PT100溫度傳感器；階梯升溫工藝采用PID算法控制電磁閥對染液實現溫度的控制；在保溫階段，利用固態(tài)繼電器控制卷筒直流電機正反轉動，實現布料的均勻染色。
染色自動化控制器采用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)分為人機交互單元、現場控制單元和CAN總線單元三部分。其中，人機交互單元由數碼顯示、LED顯示和鍵盤輸入部分組成，用于染色工藝的設置、顯示以及運行狀態(tài)的顯示、報警。現場控制單元采用并行總線，擴展了12位高精度A/D轉換器，采樣由PT100檢測、經過調理過的溫度信號，采用PID算法控制染液溫度；同時完成織物正反轉，實現染色工藝過程自動化控制。CAN總線單元采用MC9S12XDP512內置CAN模塊，實現了現場總線控制系統(tǒng)的構架。

2 硬件設計
2.1 MC9S12XDP512
MC9S12XDP512是Freescale公司生產的新一代16位微控制器，以增強型HCS12內核為基礎，集成了外設協處理器XGATE[2]。
XGATE是一個獨立于HCS12X主CPU的可編程RISC內核，可作為高效的DMA控制器，在外設與RAM之間自主地進行高速數據傳送，并在數據傳送過程中進行靈活的數據處理。
XGATE精簡指令集內核中有8個16位通用寄存器R0～R7，1個程序計數器PC，1個4位的條件碼寄存器CCR。XGATE共有72條獨立指令，指令時鐘最高可達100 MHz，是HCS12X主CPU總線速度的2倍；可訪問64 KB的片內空間，包括2 KB的片上外設寄存器、30 KB的片上FLASH和最大32 KB的片內RAM。
2.2 XGATE的編程
XGATE的代碼執(zhí)行是由事件（中斷）驅動的，圖3所示為S12X系統(tǒng)微控制器的典型中斷處理過程。其中，中斷的配置寄存器INT_CFGDATAx決定了該中斷的處理內核及中斷優(yōu)先級。如果RQST位置為1，則選擇XGTE協處理器處理當前中斷；反之則選擇HCS12X主處理器。當XGATE的中斷服務程序處理結束后通知HCS12X，并將處理結果提交給HCS12X。這樣HCS12X只需關注上層的控制算法，而與底層密切相關的硬件操作由XGATE處理，極大地提高了系統(tǒng)性能[3]。

在紡織工業(yè)中，染色工藝過程是紡織品上色的一個重要生產環(huán)節(jié)。布料染色要求在不同的升溫、降溫過程中嚴格按照一定的升溫速率或降溫速率進行，而且對于不同的染料、不同的紡織品，所要求的染液溫度變化曲線也不同[1]。圖1所示為實際生產中的一個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 ℃，保溫時需要正反轉的次數(道數)為1道；第2段保溫溫度為90 ℃，道數為1道；第3段保溫溫度為135 ℃，道數為2道。

長期以來，染色工藝過程都是由通用型溫度控制器配合人工操作來完成。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也會產生差異，從而影響產品的質量和產量。同時染色車間溫度高、濕度大，操作人員的勞動條件十分惡劣，也在一定程度上影響了產品的質量。為了提高產品的質量并降低工人勞動強度，設計了一套染色自動化控制器，主要用于實現染色工藝的單機控制，完成階梯升溫染色工藝的設置和顯示、自動化控制等功能，并為接入現場總線控制系統(tǒng)預留接口。
1 方案設計
在染色工藝過程中，染缸內、外缸的溫度檢測采用PT100溫度傳感器；階梯升溫工藝采用PID算法控制電磁閥對染液實現溫度的控制；在保溫階段，利用固態(tài)繼電器控制卷筒直流電機正反轉動，實現布料的均勻染色。
染色自動化控制器采用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)分為人機交互單元、現場控制單元和CAN總線單元三部分。其中，人機交互單元由數碼顯示、LED顯示和鍵盤輸入部分組成，用于染色工藝的設置、顯示以及運行狀態(tài)的顯示、報警?，F場控制單元采用并行總線，擴展了12位高精度A/D轉換器，采樣由PT100檢測、經過調理過的溫度信號，采用PID算法控制染液溫度；同時完成織物正反轉，實現染色工藝過程自動化控制。CAN總線單元采用MC9S12XDP512內置CAN模塊，實現了現場總線控制系統(tǒng)的構架。

2 硬件設計
2.1 MC9S12XDP512
MC9S12XDP512是Freescale公司生產的新一代16位微控制器，以增強型HCS12內核為基礎，集成了外設協處理器XGATE[2]。
XGATE是一個獨立于HCS12X主CPU的可編程RISC內核，可作為高效的DMA控制器，在外設與RAM之間自主地進行高速數據傳送，并在數據傳送過程中進行靈活的數據處理。
XGATE精簡指令集內核中有8個16位通用寄存器R0～R7，1個程序計數器PC，1個4位的條件碼寄存器CCR。XGATE共有72條獨立指令，指令時鐘最高可達100 MHz，是HCS12X主CPU總線速度的2倍；可訪問64 KB的片內空間，包括2 KB的片上外設寄存器、30 KB的片上FLASH和最大32 KB的片內RAM。
2.2 XGATE的編程
XGATE的代碼執(zhí)行是由事件（中斷）驅動的，圖3所示為S12X系統(tǒng)微控制器的典型中斷處理過程。其中，中斷的配置寄存器INT_CFGDATAx決定了該中斷的處理內核及中斷優(yōu)先級。如果RQST位置為1，則選擇XGTE協處理器處理當前中斷；反之則選擇HCS12X主處理器。當XGATE的中斷服務程序處理結束后通知HCS12X，并將處理結果提交給HCS12X。這樣HCS12X只需關注上層的控制算法，而與底層密切相關的硬件操作由XGATE處理，極大地提高了系統(tǒng)性能[3]。