通信和汽車工業的快速發展促進了鋼聯線產業的迅猛發展。鋼聯線是通信電纜和輪胎的重要組成部分，其質量直接影響著通信的效果、輪胎的質量、品質和等級。拉絲機是鋼聯線的主要生產設備。針對當前主要采用PLC實現拉絲機控制系統的狀況[1]，本文提出了基于ARM和FPGA的拉絲機控制系統，使用先進的控制器結構，技術含量高，穩定性好，向上層軟件提供了良好的硬件接口，易于移植，并且成本低，可以替代PLC進行生產控制。

1 拉絲機系統結構和原理

1.1拉絲機工藝過程

拉絲機種類較多，對于不同要求、不同精度規則的產品，不同的金屬物料，可選擇不同規格的拉絲機械。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本上可以劃分成放線、拉絲、收線3部分工藝過程[2]。如圖1為拉絲機工藝過程簡圖。

未拉的絲通過一個阻力裝置（一般是一個夾板之類的東西，用來提供一定的張力，同時也起到了防止跳線的作用），進入細拉槽，即放線環節；進入細拉槽的絲在細拉塔輪和微拉塔輪的多次拉制后，成為所需要的絲，此時通過測速傳感器測出速度信號為n1；被拉細后的絲經過滑差輪，該輪的作用主要是保持恒定張力；然后絲再經過測速輪，該輪的作用就是測出當前拉絲的線速度，通過測速傳感器測出轉速信號為n2；經過測速輪的絲再經過一個中間環節，然后通過擺絲桿，最后把絲繞到卷軸上，即收線環節[2-3]。

1.2 拉絲機控制器系統

系統的控制方案主要有以下4部分：

(1) 放絲伺服的恒線速度控制

要求放絲電機能夠最大程度地抗干擾，能夠盡量在一個穩定的速度下運行，同時還要具備平滑的加減速功能。因為系統在啟動開始時，要以一個比較低的速度來運行,然后操作人員在HMI上通過總線把電機手動加速到合適的速度才開始拉絲，同時在停機時也要求電機能夠平滑地把速度降下來[4]。

(2) 調節伺服的跟隨控制

調節伺服驅動器直徑接收拉絲伺服電機高速脈沖的信號，按一定的電子齒輪比跟隨放線速度，以保證出絲的線速度，同時與卷繞伺服做到了很好的協調，保證系統張力控制的穩定性[4]。

(3) 卷繞伺服的恒張力控制

要求卷繞伺服在半徑不斷增大的情況下保持與調節伺服的線速度相等，以保證繞出來的線平滑、不塌邊，提高線絲的成品質量。而要實現恒線速度控制，必須通過一個反饋回路來檢測實際的繞線輪的線速度。先通過層數大致計算出繞線輪的半徑，然后再得到大致的卷繞電機的轉速，最后再加上PID誤差計算結果，這樣得到的線速度才比較精確，也就是線速度差最小[5]。

(4) 擺絲位置控制

擺絲的控制主要是保證繞制出來的線均勻地排列在線軸上。

2 硬件系統設計

拉絲機控制器硬件原理框圖如圖2所示。選用STMicroeletronics 公司ARM7TDMI 系列嵌入式處理器 STR712F作為控制器，能滿足拉絲機張力調節過程對實時性、高速性和精確性，同時具有高性能低功耗的特點，片內資源豐富，具有極高的集成度，支持工業級應用。

考慮到拉絲機控制對象復雜，需要較多的輸入輸出口，本系統還在ARM芯片外擴展了1片FPGA芯片(選用Actel公司的A3P060)。

2.1 ARM主控制板設計

ARM主控制板是整個硬件系統的核心，包括ARM主芯片（STR712F）、SRAM、Flash、LCD接口、SPI接口(可選）、FPGA接口、串口、CAN接口、JTAG調試接口等[6]。

主控制板設計完成后，在此控制板上移植Linux操作系統，應用程序、驅動程序和操作系統存儲于主控制板的Flash芯片；LCD接口用于擴展液晶顯示器，該主控板可以支持128×64的液晶顯示器；FPGA接口用于擴展FPGA協控制器板；JTAG接口和串口在調試時使用。

ARM主控板采用核心板和基板的結構，以節省成本。核心板包含STR712F處理器、SRAM、Flash芯片等，采用4層板布線；其他部分全部放置在基板，采用2層板布線。

ARM與FPGA的通信采用SPI總線協議——串行通信協議的方式實現。ARM與FPGA交換數據采用幀的形式進行，每幀包括數據位、地址位、FPGA觸發位和命令解釋位等，ARM通過發送相應的幀來控制FPGA的執行。故主控制板上的FPGA接口由IO口、中斷線、地線和電源線等組成。

2.2 FPGA協處理器設計

FPGA協處理器的硬件電路主要包括電源、晶振、FPGA電路、驅動電路等部分。協處理器及外接電路框架結構如圖3所示。

協處理器電路與ARM板通信，解析ARM發出的命令并執行，主要包括讀傳感器命令（位置信號、計數信號、光電信號、啟動信號、運行信號、復位信號、停機信號等）、主電機控制命令、主風機控制命令、收線電機控制命令、收線風機控制命令、主變頻器控制命令、收線變頻器控制命令等，共計24路輸入和16路輸出。該部分是整個硬件控制電路的關鍵，起到橋梁的作用，前端面向主處理器，后端直接面向各機械驅動電路。

2.3 掉電數據保護電路模塊

掉電數據保護電路由DS1302ZN接口電路、AT45DB021B接口電路、MAX706掉電檢測電路和預警比較電路組成。

2.4 通信接口電路

全自動拉絲機系統是一種對速度控制要求高的機械設備，要求控制系統能夠提供非常精確、平滑的線速度。整個系統比較復雜，控制設備繁多，各個電機之間要求很高的協調性。本系統采用4套伺服電機控制，而每套伺服電機間均有數據交換，且數據通信也要求很強的實時性，也就是要求系統具有總線通信能力。這樣就要求伺服驅動器擁有非常強大的功能才能滿足控制要求。

因此，在這里選擇了自帶CAN總線的ARM7，采用了標準的CANopen協議，能夠傳送和接收PDO、SDO，以滿足系統對實時通信數據的要求。本系統的驅動器也集成了PROFIBUS接口，但是價格比較昂貴，采用CAN總線既滿足了控制要求，又為客戶節約了成本。

2.5 高速計數模塊

系統擴展兩路高速計數口，其中一路用來記錄現場工作車速，以此計算出拉絲長度，另一路用來計算班產累計、拉絲總長、拉絲時間等工藝參數。這里采用高速光耦HCPL0611將該口擴展為高速計數口。控制器具有高速脈沖計數能力，能夠采集高速脈沖信號，從而計算出進絲線速度，然后通過PDO傳送給收卷伺服驅動器，該伺服驅動器根據此轉速自動調節自身轉速，從而達到控制線張力的目的。

2.6 人機界面模塊

為了便于用戶管理和操作，增加了一個拉絲機工藝參數顯示設定模塊，STR712F通過一路自帶的UART串行口與該顯示模塊（觸摸屏）進行通信。系統人機界面采用帶有RS485通信口的Easy View系列觸摸屏，通過RS485通信方式與中央控制單元連接。設置參數包括：拉絲直徑、系統啟動、停車、跳卷、線速度設定、收卷點動、斷線保護有效、防護罩有效、報警、PID參數等。通過該模塊可控制拉絲長度和時間，實現定長或定時收絲。利用該模塊還可直接對CPU內的計時器、計數器、變量存儲器等進行訪問。在系統出現報警時，觸摸屏上可及時顯示系統的故障，方便用戶及時排除，提高了對生產設備的管理和操作的效率。

2.7 電平轉換模塊

本系統內各個模塊供電電壓有24 V、5 V、3.3 V、1.5 V等，因此，設計了專門的電平轉換電路，這里采用低功耗正向電壓調節器D2405S/2 W，它有很低的靜態電流，性能價格比高。

2.8 其他部分電路設計

除了以上討論的幾部分電路外，由于是變頻器驅動機械工作，故設計了變頻調速通信模塊；同時考慮到現場惡劣的生產環境，采用了一系列抗干擾技術，如硬件上采用光電輸入輸出隔離、繼電器線圈RC吸收等。為了保證數據和程序有足夠的存放空間，通過I2C總線擴展了一個外部EEPROM。

3 軟件設計

本系統程序采用模塊化設計，以有利于系統升級和替代。主要模塊有準備模塊、系統初始化模塊、張力控制模塊、傳感器信號采集模塊、計算處理模塊、故障及報警模塊、通信模塊、數據存儲模塊等，其中張力控制模塊是本設備程序設計的關鍵而且是難點，它包括采樣模塊、計算處理模塊、輸出模塊和調整模塊。整個過程比較復雜，涉及到匯編程序、C語言程序、驅動程序、調試程序等。控制程序流程圖如圖4所示。

本系統采用CAN總線通信，增強了系統的抗干擾能力；伺服內部算法自動計算自身轉速，系統響應及時，張力控制得當。本系統支持串口設備，便于人機交互，整個系統可移植性強，對國內拉絲機控制系統的發展具有一定推動作用。該系統帶來了效率（拉絲速度）、質量（拉絲直徑）的提高，同時也降低了系統綜合成本。系統已成功應用于工業現場并能夠長時間穩定運行，能自動檢錯，易于升級。運行結果表明，它的控制性能可以與PLC控制系統相媲美。