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摘 要：火花塞是汽油发动机中用于点火的重要元件，普遍应用在汽车、摩托车以及农业船舶、航空等各行各业。因此，针对其大批量使用，用来加工火花塞底部螺纹设备的全自动化显得尤为重要。本文火花塞的滚丝机设备采用嵌入式控制系统，以C8051F040为主控芯片的主控电路板，集成变频器驱动电路板和步进驱动器电路板。其对于滚丝机控制系统的改进，成本降低有着重要意义。
关键词：火花塞；滚丝机；嵌入式；C8051F040；控制系统
中文分类号：TH173.5 文献标识码：A
1引言
随着汽车工业的发展，火花塞也得到大量的应用。火花塞是汽油发动机中用于点火的重要元件。火花塞上的螺纹是用来连接汽车内气缸，所以对于螺纹深度、牙型、外径的要求比较高。其质量的好坏直接影响点火效果。因此，滚丝机设备技术成为关键技术之一。
简述滚丝机动作过程：筛料，送料，滚丝。原控制系统送料装置用步进电机；另外单次筛料装置用一个小步进电机；滚丝处采用变频电机控制速度。
原滚丝机设备的控制系统应用PLC与变频器采用Modbus通讯协议以通讯方式进行控制的。以PLC为主控模块的控制系统虽然应用起来很方便而且很稳定，但企业更注重的是性价比，投入成本过高使企业很难在市场竞争中站稳脚跟，因此本文涉及了以嵌入式系统取代现有控制系统的方案。随着科技的不断发展，嵌入式的应用不断加深，嵌入式系统成为了热门。嵌入式控制系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，其是软件和硬件的综合体。
2 滚丝机嵌入式控制系统的总体方案
滚丝机控制系统的主要被控对象：变频器，两个步进驱动器，振动盘指示灯冷却泵电机等。该系统嵌入式有别于PLC控制系统的最大便捷之处在于其集成性，可以将主CPU，变频器，步进驱动器分别制成电路板插接到一起，所以拟自制主控电路板、变频器和步进驱动器，控制框图如图1所示，由控制框图可以确定整个控制结构由主控电路板、步进驱动器板、变频器电路板组成，对系统的设置、操作等均由触摸屏来完成，并且设置了基本的按钮和数码管的显示。
3 系统硬件设计
嵌入式中最主要的是单片机。根据滚丝机控制对象的特点，提出以C8051F040为主控芯片的主控电路板，集成变频器驱动电路板和步进驱动器电路板的一套嵌入式控制模块。
3.1 MCU主控模块
MCU主控模块是整个系统的控制中心。主要包括MCU子系统；一组3*3矩阵按键，2个独立控制按键；状态显示LED，6位数码管及其驱动电路，C8051F040通过时序模拟的方式将显示所需数据送入74HC573并显示出来；RS-232通信接口，电路由MAX232和其外围电路构成；JTAG调试接口和，通过JTAG调试接口可以完成C8051F040的在线仿真、调试和编程；供电电路；温度传感器选择的支持一线总线的DS18B20芯片，独特的单线接口方式使得DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3.2 变频器
滚丝机控制系统使用自制的变频器以配合嵌入式的控制方案，变频器主要包括整流、滤波和逆变三个部分，而整流滤波是将交流电变为直流电，逆变则将直流电变为交流，送给异步电机使其转动，整流和滤波将不在本文设计之中。
变频系统包括C8051F040单片机和富士公司出品的FSBB20CH60功率逆变模块，它们集成在两个模块上，一个为MCU主控模块另一个是IPM功率逆变模块上，它们通过插座连接在一起，MCU主控模块负责电机驱动信号的产生和整个系统的协调控制；IPM功率逆变模块则提供功率逆变功能，这里说明一下本课题为减少危险性，将整流滤波去除，直接给逆变模块直流电输入。如图5.14所示为C8051F040通用变频器系统框图。
3.3步进驱动器
步进驱动器的硬件组成主要包括驱动芯片L298，还有单向导通的二极管，这里选用的是DIN4148，及用于检测是否缺相的LED指示灯和电源电路等。L298N的电压接收范围为4.5～7V，为标准TTL电平，驱动2A，46V以下的步进电机，控制的电机种类包括两个两相或一个四相的，L298的输入端有四个，通过单片机提供时序信号，驱动步进电机改变其转速和方向。引脚图如图3所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2 个步进电机；input1～input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。
4 系统软件设计
整个滚丝机控制系统软件分为三个部分，电机的核心驱动程序，这部分主要是产生驱动电机所用的SPWM信号及相关驱动服务程序；系统控制程序；人机接口界面程序。
4.1 主程序流程
对于SPWM波的生成主要是计算高低电平的时间间隔，这里需要通过上面提到的SPWM生成方法计算时间的间隔再通过C8051F040单片机中可编程计数阵列PCA计算间隔时间，定时输出高低电平，实现SPWM的输出。
主程序流程如图4所示， 在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率，然后进入SPWM脉宽计算程序，根据所设置频率选择调制比N计算脉宽并确定max值。在SPWM输出程序中，对PCA特殊功能寄存器进行设置并启动计数器运行，开始输出SPWM波形。
中断服务程序是判断定时器和捕捉比较模块发生匹配时的程序，其中由CCFn的值来决定哪个模块匹配，其相应的CEX引脚上的电平发生变化，如果CEX为高电平则把高电平脉冲宽度值赋给寄存器，如果是低电平，把时间间隔脉冲宽度值赋给寄存器，同时根据数据指针判断是否和最大值相等，进而确定一个周期的起始，使数据载入正确。载波比N与max的关系式为max=N/2-1。CCFn位和CF位不能自动清零， 必须软件清零。 部分程序解析如图5所示：
4.2 触摸屏的设计
滚丝机控制系统设置操作等选用MCGS嵌入版组态软件，其是昆仑通态公司专门开发用于mcgsTpc的组态软件，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。选择一块7寸MCGS TPC7062屏。
界面的设计包括：主界面，手动界面和自动界面。主界面为上位机监控系统运行的第一个界面，通过点击屏幕上方的各个按钮，可以进入到相应的各功能界面，在主界面，可以添加一些公司的产品简介及图片，丰富界面的内容，提高可读性使界面美观方便；进入手动操作界面，用户可在点动电机的启动、停止，步进电机的单步运动，变频电机的速度调整，通过手动界面可以测试出个分装置的合理参数，如图6所示；进入自动操作界面，用户可在此界面控制整套设备的启动连续运转停止解除报警等，自动界面会模拟真实设备的运动状况，同时当出现故障，界面会出现报警提示，并自动进入报警信息界面。如图7所示。
MCGS触摸屏上有一个RS232接口可以用来与单片机进行通讯。
5. 小结
通过对嵌入式在滚丝机控制系统中的应用进行分析，详细介绍了基于C8051F040的主模块、变频器驱动模块和步进驱动模块的硬件建立，各模块芯片的介绍。软件方面主要讲述了变频原理、变频器用SPWM波的软件生成，及部分程序的编写。在设备不断完善，有了固定的参数后，嵌入式系统的应用将成为必然，其稳定性将不再是局限，同时降低火花塞生产成本，提高生产效率。
参考文献
[1]杨捷.火花塞发展趋势. 汽车与配件，2003，14：30-31
[2]MCGS嵌入版6.5组态软件的帮助手册.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2003年
[3]贾俊.嵌入式系统中网络负载平衡群集的研究与应用[D].湖南：湖南大学.2010年
[4]张积微.现代变频技术的应用和电力电子装置带来的危害及对策.机械与电子，2007，17：591-597
[5]刘琦.汽车火花塞生产设备的研制 [D].天津：河北工业大学，2012年.
作者简介：
金荣群，男，天津福臻工业装备有限公司.工程师，研究方向：机械设计制造。
邵伟（1987—），女（汉），河北，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。
刘琦（1986—），男（汉），天津，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。
通讯作者：关玉明（1958—），男（汉），河北，博士，教授，主要研究方向是智能控制，研究方向：机电成套设备及其关键技术。
关键词：火花塞；滚丝机；嵌入式；C8051F040；控制系统
中文分类号：TH173.5 文献标识码：A
1引言
随着汽车工业的发展，火花塞也得到大量的应用。火花塞是汽油发动机中用于点火的重要元件。火花塞上的螺纹是用来连接汽车内气缸，所以对于螺纹深度、牙型、外径的要求比较高。其质量的好坏直接影响点火效果。因此，滚丝机设备技术成为关键技术之一。
简述滚丝机动作过程：筛料，送料，滚丝。原控制系统送料装置用步进电机；另外单次筛料装置用一个小步进电机；滚丝处采用变频电机控制速度。
原滚丝机设备的控制系统应用PLC与变频器采用Modbus通讯协议以通讯方式进行控制的。以PLC为主控模块的控制系统虽然应用起来很方便而且很稳定，但企业更注重的是性价比，投入成本过高使企业很难在市场竞争中站稳脚跟，因此本文涉及了以嵌入式系统取代现有控制系统的方案。随着科技的不断发展，嵌入式的应用不断加深，嵌入式系统成为了热门。嵌入式控制系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，其是软件和硬件的综合体。
2 滚丝机嵌入式控制系统的总体方案
滚丝机控制系统的主要被控对象：变频器，两个步进驱动器，振动盘指示灯冷却泵电机等。该系统嵌入式有别于PLC控制系统的最大便捷之处在于其集成性，可以将主CPU，变频器，步进驱动器分别制成电路板插接到一起，所以拟自制主控电路板、变频器和步进驱动器，控制框图如图1所示，由控制框图可以确定整个控制结构由主控电路板、步进驱动器板、变频器电路板组成，对系统的设置、操作等均由触摸屏来完成，并且设置了基本的按钮和数码管的显示。
3 系统硬件设计
嵌入式中最主要的是单片机。根据滚丝机控制对象的特点，提出以C8051F040为主控芯片的主控电路板，集成变频器驱动电路板和步进驱动器电路板的一套嵌入式控制模块。
3.1 MCU主控模块
MCU主控模块是整个系统的控制中心。主要包括MCU子系统；一组3*3矩阵按键，2个独立控制按键；状态显示LED，6位数码管及其驱动电路，C8051F040通过时序模拟的方式将显示所需数据送入74HC573并显示出来；RS-232通信接口，电路由MAX232和其外围电路构成；JTAG调试接口和，通过JTAG调试接口可以完成C8051F040的在线仿真、调试和编程；供电电路；温度传感器选择的支持一线总线的DS18B20芯片，独特的单线接口方式使得DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3.2 变频器
滚丝机控制系统使用自制的变频器以配合嵌入式的控制方案，变频器主要包括整流、滤波和逆变三个部分，而整流滤波是将交流电变为直流电，逆变则将直流电变为交流，送给异步电机使其转动，整流和滤波将不在本文设计之中。
变频系统包括C8051F040单片机和富士公司出品的FSBB20CH60功率逆变模块，它们集成在两个模块上，一个为MCU主控模块另一个是IPM功率逆变模块上，它们通过插座连接在一起，MCU主控模块负责电机驱动信号的产生和整个系统的协调控制；IPM功率逆变模块则提供功率逆变功能，这里说明一下本课题为减少危险性，将整流滤波去除，直接给逆变模块直流电输入。如图5.14所示为C8051F040通用变频器系统框图。
3.3步进驱动器
步进驱动器的硬件组成主要包括驱动芯片L298，还有单向导通的二极管，这里选用的是DIN4148，及用于检测是否缺相的LED指示灯和电源电路等。L298N的电压接收范围为4.5～7V，为标准TTL电平，驱动2A，46V以下的步进电机，控制的电机种类包括两个两相或一个四相的，L298的输入端有四个，通过单片机提供时序信号，驱动步进电机改变其转速和方向。引脚图如图3所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2 个步进电机；input1～input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。
4 系统软件设计
整个滚丝机控制系统软件分为三个部分，电机的核心驱动程序，这部分主要是产生驱动电机所用的SPWM信号及相关驱动服务程序；系统控制程序；人机接口界面程序。
4.1 主程序流程
对于SPWM波的生成主要是计算高低电平的时间间隔，这里需要通过上面提到的SPWM生成方法计算时间的间隔再通过C8051F040单片机中可编程计数阵列PCA计算间隔时间，定时输出高低电平，实现SPWM的输出。
主程序流程如图4所示， 在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率，然后进入SPWM脉宽计算程序，根据所设置频率选择调制比N计算脉宽并确定max值。在SPWM输出程序中，对PCA特殊功能寄存器进行设置并启动计数器运行，开始输出SPWM波形。
中断服务程序是判断定时器和捕捉比较模块发生匹配时的程序，其中由CCFn的值来决定哪个模块匹配，其相应的CEX引脚上的电平发生变化，如果CEX为高电平则把高电平脉冲宽度值赋给寄存器，如果是低电平，把时间间隔脉冲宽度值赋给寄存器，同时根据数据指针判断是否和最大值相等，进而确定一个周期的起始，使数据载入正确。载波比N与max的关系式为max=N/2-1。CCFn位和CF位不能自动清零， 必须软件清零。 部分程序解析如图5所示：
4.2 触摸屏的设计
滚丝机控制系统设置操作等选用MCGS嵌入版组态软件，其是昆仑通态公司专门开发用于mcgsTpc的组态软件，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。选择一块7寸MCGS TPC7062屏。
界面的设计包括：主界面，手动界面和自动界面。主界面为上位机监控系统运行的第一个界面，通过点击屏幕上方的各个按钮，可以进入到相应的各功能界面，在主界面，可以添加一些公司的产品简介及图片，丰富界面的内容，提高可读性使界面美观方便；进入手动操作界面，用户可在点动电机的启动、停止，步进电机的单步运动，变频电机的速度调整，通过手动界面可以测试出个分装置的合理参数，如图6所示；进入自动操作界面，用户可在此界面控制整套设备的启动连续运转停止解除报警等，自动界面会模拟真实设备的运动状况，同时当出现故障，界面会出现报警提示，并自动进入报警信息界面。如图7所示。
MCGS触摸屏上有一个RS232接口可以用来与单片机进行通讯。
5. 小结
通过对嵌入式在滚丝机控制系统中的应用进行分析，详细介绍了基于C8051F040的主模块、变频器驱动模块和步进驱动模块的硬件建立，各模块芯片的介绍。软件方面主要讲述了变频原理、变频器用SPWM波的软件生成，及部分程序的编写。在设备不断完善，有了固定的参数后，嵌入式系统的应用将成为必然，其稳定性将不再是局限，同时降低火花塞生产成本，提高生产效率。
参考文献
[1]杨捷.火花塞发展趋势. 汽车与配件，2003，14：30-31
[2]MCGS嵌入版6.5组态软件的帮助手册.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2003年
[3]贾俊.嵌入式系统中网络负载平衡群集的研究与应用[D].湖南：湖南大学.2010年
[4]张积微.现代变频技术的应用和电力电子装置带来的危害及对策.机械与电子，2007，17：591-597
[5]刘琦.汽车火花塞生产设备的研制 [D].天津：河北工业大学，2012年.
作者简介：
金荣群，男，天津福臻工业装备有限公司.工程师，研究方向：机械设计制造。
邵伟（1987—），女（汉），河北，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。
刘琦（1986—），男（汉），天津，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。
通讯作者：关玉明（1958—），男（汉），河北，博士，教授，主要研究方向是智能控制，研究方向：机电成套设备及其关键技术。