嵌入式微处理器在瓦楞纸横切机中的应用

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.56MB 67 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
嵌入式系统是继 IT 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系
统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前
已经广泛地应用于军事国防、工业控制、消费电子、网络通信等各个领域。[1][2]
在以往实际机电控制系统应用过程中，常规方式是采用上位机和下位机的控
制方式，上位机一般是工控机或 PC 机，下位机通常是单片机或 DSP 等微控制器。
然而，近年来随着微电子和嵌入式软件技术的发展，32/64 位微处理器的性能得到
了极大的提升，我们发现这种常规的上位机/下位机的控制方式已经失去了原有的
优势，特别是针对多功能、多任务、高性能、低功耗的实际现场应用，只需要采
用基于微处理器的嵌入式系统就可以实现所需要的功能，而且性价比极高。因此
嵌入式技术成为未来工业控制领域一个最重要的技术发展方向。
§1.1 嵌入式系统的简介、应用和发展历史
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定
的应用程序等四部分组成，是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”，它是以
嵌入式计算机技术为核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，
适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能严格要求的专用计算机系
统。和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，目的就是要把
一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和软件都必须高效率地设
计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。
根据 IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监
视、或是辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为 device used to control，
monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。从中可以看出
嵌入式系统是软件和硬件的综合体，但上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的
精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、
软件硬件可裁减，适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的
专用计算机系统。[3] [5]
嵌入式系统具有非常广阔的应用前景，目前其主要应用领域可以概括为：
1．军事国防领域：武器控制，从火炮控制高炮指挥仪到导弹控制，从坦克、
轰炸机、舰艇、雷达、电子对抗等军事电子装备到军事通信及军事指挥系统。
2．民用电子装备及机电一体化设备：各种测量仪器仪表；数控装置、工业控
制机、机器人等工业电子设备；机电一体化工程机械及农业机械；汽车、机车、
民航及船舶电子设备；办公自动化装备；计算机外部设备；通讯控制器及通讯设
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备；商用收款机等商用电子设备；医疗电子设备等。
3．家用电器及消费类电子产品：数字电视机机顶盒、录相机、VCD、DVD、手
机、呼机、可视电话、掌上电脑、个人数字助理（PDA）家庭网络设备、洗衣机、
电冰箱、智能玩具、防火防盗设备等。
虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从
20 世纪 70 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规
模应用，嵌入式系统已经有了 30 年左右的发展历史。作为一个系统，往往是在硬
件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。
嵌入式 系统最初的应用是基于单片机的。20 世纪 70 年代单片机的出现，使
得汽车、家电、工业控制、通信设备以及成千上万的产品可以通过内嵌电子装置
来获得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。这些装置已经初步具备嵌
入式系统的应用特点，但是这时的应用只是使用 8位的芯片，执行一些单线程的
程序，还谈不上“系统”的概念。
从80 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写
嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提
高开发效率。1981 年，Ready System 开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核
（VTRX32），这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括了任务管理、
任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。此后一些公司也纷
纷推出了自己的嵌入式操作系统，如 integrated system incorporation 的psos 和
windriver 的vxworks 等，这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均
采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，
具有可裁剪性、可扩充性和可移植性，较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。
这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解
放出来，同时也促使嵌入式系统有了更广泛的应用空间。
90 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐
发展为实时多任务操作系统（real time operation system RTOS），并作为一种软件平
台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的
广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式。除了上面的公司以外，还出现了 Plam
OS、windows CE、嵌入式 Linux 等嵌入式操作系统，随着嵌入式技术的发展前景
日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。
今天 RTOS 已经在全球形成了一个产业，根据美国 EMF（电子市场分析）报
告，1999 年全球 RTOS 市场产值达 3.6 亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包
括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达 9亿美元。[4]
§1.2 课题产生的背景和意义
二十世纪七十年代，嵌入式微处理器在工业领域的初步应用极大地促进了工
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业生产技术的飞速发展，同时工业技术的飞速发展也对嵌入式技术提出了越来越
高的要求。如今我们已经步入二十一世纪，进入了后 PC 时代，在智能控制、分布
控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式应用进
一步加速发展。嵌入式微控制器向 32 位、高速、高精度、低功耗、智能化接口发
展。
众所周知，过去在许多工业控制中，对一些数据不多、对控制系统的响应速
度和稳态精度要求不高，功能不复杂的应用，往往采用单片机，即可满足要求。
但如果对系统的响应速度和稳态精度要求高，数据多，功能复杂的应用，单片机
的性能往往达不到理论要求。
当今世界工业技术突飞猛进，生产效率的提高意味着利润的扩大，这点在印
刷包装行业显得尤为明显。我国包装机械行业在上世纪 90 年代后由于包装制品工
业发展的需要而出现了高速度发展，年平均增长率为 30％，但由于起步迟，起点
低，规模小，我国包装机械总体水平要比发达国家落后 20 年，国内目前需求量的
60％～70％；尤其是技术含量高的高速瓦楞纸生产设备几乎全部依赖进口，目前
国内瓦楞纸板横切机生产设备也有，但大都是低速、机械调整式的高能耗的落后
产品，必须积极开发升级换代产品。
相对于包装制品工业，包装机械是我国包装工业的弱势。目前欧美重点发展 2
米以上宽幅瓦楞纸板生产设备以及制箱(盒)印刷成套设备，生产线生产速度应稳
定在 180m/min 以上，积极配合计算机集中控制，使设备性能及有关技术参数做到
方便调整。入世后，世界包装强国会凭借其集中的资本，优势的开发创新能力在
我国降低关税后大举进入我国的包装机械市场，如无强有力的对策，我国包装工
业的制高点可能为世界包装强国的国际资本所控制。
针对目前国内市场上对瓦楞纸板生产设备的迫切需求，日本和台湾的一些厂
商为国内包装机械生产厂商配套开发瓦楞纸板生产设备的数控系统，由于我们国
内市场上还没有类似的产品出现，生产厂商也尚不具备开发这种设备的能力，因
此日本和台湾开发的数控系统迅速全面占领了国内市场，由于我们处于弱势地位，
国内的包装机械生产厂商不得不花巨资购买这些数控设备，这成了发展我国包装
机械工业的巨大障碍。为了适应市场的需要，发展我国包装机械，满足广大中小
型用户的需求，研制高速数控瓦楞纸生产设备迫在眉睫，我们上海理工大学数控
数显实验室从 2002 年 9 月开始和上海申威达印刷包装机械有限公司合作进行这方
面的研究开发工作，以 Samsung 的 32 位 RISC 嵌入式微处理为核心控制器，开发
高精度中高速瓦楞纸横切机，以期为中国包装机械的发展注入新的力量。
§1.3 课题研究的主要内容
从总体上看，由于国外的技术装备水平已经明显领先于国内水平，尤其是欧
美企业已经重点发展高质、高档、高速、高效、宽幅的“四高一宽”瓦楞纸板生
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产线，例如美国的 Barry－wehmiller 公司、Beinis 公司、SA－SIBSPA 公司等，
他们都已经能生产 2 米以上宽幅瓦楞纸板生产设备以及制箱(盒)印刷成套设备，
生产线生产速度能稳定在 180m/min 以上，积极配合计算机集中控制，使设备性能
及有关技术参数做到方便调整。为了尽快提升我国包装机械的水平，2002 年 9 月，
我们上海理工大学数控数显实验室与国内印刷包装机械行业的龙头企业上海申威
达机械有限公司达成合作研究开发计划，在参考了德国的沃伦贝格等比较成熟的
产品的机械结构的基础后，我们以高起点、高质量、高性能为目标，采用业内最
先进的螺旋刀旋转切纸方案，以大功率交流伺服电机驱动切纸辊，以 Samsung 公
司的 S3C44B0X 微处理器为核心控制元件，开发 QZ1600A 型瓦楞纸横切机，争取早
日突破国外厂商的垄断，也为国内该领域的企业提供一些有价值的参考。
整机的机械系统设计和控制系统开发过程的工作量都比较大，为了提高开发
效率，加快开发进度，我们将任务分为两大部分：整机的机械设计开发、安装和
调试工作主要由上海申威达机械有限公司完成，控制系统的软硬件设计开发、调
试工作主要由上海理工大学数控数显实验室完成。
在 QZ1600A 型瓦楞纸横切机控制系统软硬件的设计开发过程中，主要研究以
下几方面的内容：
1. 熟悉 QZ1600A 型瓦楞纸横切机的机械设计方案
QZ1600A 型瓦楞纸横切机的研制开发工作虽然分为两大部分并由两家单位负
责，但是分工不分家，这需要开发人员的精诚合作。设计控制系统最终是为机械
系统服务的，所以在开发控制系统之前，我们应该对 QZ1600A 型瓦楞纸横切机的
总体机械设计方案有一个非常清楚的概念，然后再设计开发控制系统软硬件，才
能根据具体应用的要求，设计合适的基于嵌入式微处理器的控制系统。
2. 系统性能参数计算与交流伺服系统的选择
深入了解关键机械零部件的尺寸参数和传动系统设计，根据要求的性能选择
合适的送纸电机、收纸电机和与之配套的变频调速系统，并计算和设置相关参数；
计算切纸机构的各部件转动惯量，选择相应功率的伺服电机；深入了解旋转裁切
的原理，根据选定的伺服系统计算系统的部分性能指标，并为以后的现场调试和
误差分析作好准备。
3. QZ1600A 型瓦楞纸横切机控制系统硬件的设计
控制系统硬件的设计是整个控制系统运行的基础，它将直接影响到整机的性
能。根据控制系统所要求的性能和所要实现的任务，选择 Samsung 公司的 S3C44B0X
微处理器为核心控制器；选择与 S3C44B0X 液晶驱动接口兼容的液晶显示模块并选
择与之配套的触摸膜，配合触摸屏控制器，构成人机交互界面；用多路 PWM 信号
配合外围电路控制变频器输出频率，调节送纸和收纸速度；用外部中断口检测编
码器反馈的纸张位置信号，再用高速 I/O 口给伺服系统发送指令脉冲，控制切纸
辊的精确运动。
4. QZ1600A 型瓦楞纸横切机控制系统软件的设计
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学习在 ADS 环境下开发和调试程序，配置 S3C44B0X 的硬件资源。根据软硬件
系统设计的思想，将系统功能模块进行构建和划分，确定模块内部的数据结构和
算法，以及每个功能模块的程序实现方法，绘制系统软件流程图，开发针对特定
功能的嵌入式应用软件。
5. 现场调试与误差分析
利用前期的理论计算，配合松下交流伺服系统专用调试软件 PANATERM 进行现
场调试，优化系统的参数配置；对现场出现的问题进行分析，提出改进方案，积
累经验，为改进下一版的软硬件结构做好准备。
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第二章 QZ1600A 型旋转式瓦楞纸横切机简介
QZ1600A 型瓦楞纸横切机的开发工作包括很多内容，从螺旋刀的设计到切纸辊
设计，从传动系统设计计算到整机设计，从控制系统软硬件设计到配置各项参数，
从控制方案确定到现场调试等等。完成这些工作必须了解系统的总体结构和要实
现的功能，本章从瓦楞纸生产设备和基本工艺着手，介绍了整机的机械结构设计、
旋转裁切的基本原理、传动系统的参数设定、切纸刀辊的设计和切刀的设计要点
等情况。
§2.1 瓦楞纸板生产设备与基本工艺
在开发本课题的控制系统前，我们先简单了解瓦楞纸板的生产设备和基本工
艺，这样可以设计出符合行业特点、操作便捷的人机界面。
§2.1.1 瓦楞纸板主要生产设备
目前，我国制造瓦楞纸板和瓦楞纸箱的设备大体上有三类：
一种是传统的单机，就是一台使瓦楞原纸形成波形的瓦楞纸机，一台把面纸、
里纸、芯纸和形成波形的瓦楞纸粘合起来的胶水机，由这些设备来完成瓦楞纸板
的制造过程。与单机配套的制造瓦楞纸箱和瓦楞纸盒的设备还要完成配料、裁切、
印刷、拼接、分切、开槽切角和成型等工艺。整条单机流水线设备多，工艺环节
多，产品质量不好控制，消耗高。
另一种是单面瓦楞纸机，单面瓦楞纸机是由原纸架，单面瓦楞机和旋转式横
切机组合而成的半自动生产线。先制作出单面瓦楞纸板，然后再经过单机胶水车
进行加工，制造成不同结构和瓦楞纸板。它具有效率高、产品质量好，适应性强
等特点。如图 2－1 所示：
图 2－1 单面瓦楞纸机的生产设备结构示意图
再一种就是使用瓦楞纸板自动连续生产线来完成。各种设备将整个瓦楞纸板
摘要：

第一章绪论1第一章绪论嵌入式系统是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广泛地应用于军事国防、工业控制、消费电子、网络通信等各个领域。[1][2]在以往实际机电控制系统应用过程中，常规方式是采用上位机和下位机的控制方式，上位机一般是工控机或PC机，下位机通常是单片机或DSP等微控制器。然而，近年来随着微电子和嵌入式软件技术的发展，32/64位微处理器的性能得到了极大的提升，我们发现这种常规的上位机/下位机的控制方式已经失去了原有的优势，特别是针对多功能、多任务、高性能、低功耗的实际现场应用，只需要采用基...

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