肖春華, 張洪濤

(1.武漢軟件工程職業(yè)學院 光電子與通信工程,湖北 武漢 430205; 2.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)

嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機上的應用

肖春華1, 張洪濤2

(1.武漢軟件工程職業(yè)學院 光電子與通信工程,湖北 武漢 430205; 2.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)

為解決國外工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)價格昂貴,國內(nèi)用戶難以接受的現(xiàn)實問題,通過基于ARM和FPGA的嵌入式技術(shù),完成了一款特種工業(yè)縫紉機的控制部分的技術(shù)方案,提出相關(guān)硬件模塊的設(shè)計和設(shè)計過程中應該注意的問題.軟硬件平臺具有良好的通用性、靈活性和擴展性.方案的實現(xiàn)具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益.

工業(yè)縫紉機;ARM;FPGA;嵌入式技術(shù);硬件設(shè)計

在嵌入式技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用日益普及和深入的情況下,將其應用到特種工業(yè)縫紉機的智能化、自動化的控制上勢在必行.至2007年以來,德國杜克普(DURKOOP)、日本重機(JUKI)、日本兄弟(BROTHER)等知名的國外縫紉機企業(yè)都相繼推出了多款特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng),大大提高了工作效率,深受市場歡迎[1],但是其價格動輒二十多萬,國內(nèi)的一般中小型企業(yè)很難承受.

相對于這些知名的外國企業(yè),國內(nèi)的一些知名縫紉機企業(yè)如新杰克縫紉機、中捷(ZOJE)縫紉機基本上還是在采取自己生產(chǎn)機械部分,采購國外的一些控制器,然后組裝出售.為此開發(fā)出一款可靠性較高,價格低廉的高速特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)將會有良好的市場前景.

1 系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的工業(yè)縫紉機由3部分組成,操作面板單元(人機交互單元)、伺服驅(qū)動單元以及縫紉機機械單元,其中機械單元由專業(yè)縫紉機公司生產(chǎn),筆者不加以討論.本文設(shè)計完成的是整體電控縫紉機的控制部分的技術(shù)方案,是完成電控特種縫紉機的最關(guān)鍵部分,經(jīng)設(shè)計開發(fā)后以操作面板(人機交互單元)的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品中,伺服驅(qū)動單元控制箱與之用RMII以太網(wǎng)方式的差分信號通信的形式通過電纜線相連.

整個系統(tǒng)的硬件框架圖如圖1所示.本系統(tǒng)采用的ARM (Advanced RISC Machines)芯片是內(nèi)核為ARM920T的S3C2440,價格便宜,抗干擾能力強,能夠在1.3 V電壓下以極低的功

圖1 系統(tǒng)硬件框架Fig. 1 Schematic diagram of the hardware

耗工作在高達400 MHz 的主頻下,易于系統(tǒng)的移植和功能擴展,在做界面顯示的時候有獨特的優(yōu)勢,但是在電機控制方面也存在相應的短板問題[2],因此該系統(tǒng)是基于ARM和FPGA (Field Programmable Gate Array)架構(gòu)的控制系統(tǒng),其中ARM控制器作為主CPU負責數(shù)控系統(tǒng)各個任務的管理調(diào)度,

給用戶提供操作方便、簡單的人機交互界面.作為從處理器,EP2C35-F484的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接受S3C2440芯片相應的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制.EP2C35-F484是一種功能比較強大的專業(yè)級運動控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)對四軸控制,可以對任意兩軸進行直線和圓弧插補.在本系統(tǒng)中主要作用是實現(xiàn)伺服電機的實時運動控制,主CPU ARM通過總線向其發(fā)送控制指令實現(xiàn)各種復雜的運動.

1.1 電源模塊

本系統(tǒng)選用的微控制器要使用多組電源,具體電路如圖2所示.由于FPGA內(nèi)部邏輯陣列工作電壓為1.2 V,為減少電源設(shè)計難度,讓ARM內(nèi)核也工作在1.2 V的電壓下,此時ARM芯片工作主頻為300 MHz,由于ARM I/O口工作電壓為3.3 V,因此FPGA的BANK1至BANK8 I/O供電電壓也設(shè)計成3.3 V.FPGA鎖相環(huán)工作電壓為1.2 V.ARM內(nèi)核工作電壓設(shè)計要非常精準,因為1.2 V工作電壓下芯片工作的主頻是300MHz,1.3 V工作電壓下芯片的工作主頻為400 MHz,如果電壓不穩(wěn),極有可能出現(xiàn)程序"跑飛"致使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,因此設(shè)計了兩路1.2 V的電壓,一路網(wǎng)絡(luò)標號為+1.2 V,另一路網(wǎng)絡(luò)標號為PLL_VCC,分別給ARM和FPGA供電,這樣就有效的防止了因為干擾導致電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

電源芯片TPS75003是TI公司推出用于Xilinx的SpartanTM-II/IIE/3系列FPGA的高效率功率管理集成電路.這種新的三路器件的效率高達95%,大大地降低了對用在消費類電子產(chǎn)品,通信和數(shù)字視頻產(chǎn)品中的完整FPGA系統(tǒng)供電所需的外接元件數(shù)量.TPS75003有兩個95%效率的3 A降壓控制器和一個300 mA LDO(low dropout regulator)調(diào)整器, 所有通道可調(diào)整輸出電壓,從1.20 V到6.5 V,輸入電壓范圍從2.2 V到6.5 V,其輸入電壓VDD5V由伺服驅(qū)動單元提供.所有三種電源有單獨的軟起動,用小型陶瓷輸出電容能使LDO穩(wěn)定,每種電源有單獨的使能,以便靈活加電次序.TPS75003由于效率極高,所以相比于線性LDO芯片來說其發(fā)熱量很小,并且由于其極為小巧,尺寸20引腳QFN封裝(4.5*3.5*0.9 mm),這樣大大節(jié)約了硬件空間.

1.2 復位電路

由于ARM芯片的高速,低功耗,低工作電壓導致其噪聲容限低,對電源的紋波,瞬態(tài)響應性能,時鐘源的穩(wěn)定性,電源監(jiān)控的可靠性等諸多方面也提出了更高的要求[2-3].本系統(tǒng)在設(shè)計的時候,在復位電路中采用的是帶IIc(Inter-Integrated Circuit)存儲器的電源控制芯片CATl025JI一30(復位門檻電壓為3.30～3.15 V),這樣可提高系統(tǒng)的可靠性.信號/RESET連接到S3C2440芯片的復位腳nRESET,當復位按鍵按下時, CATl025JI-30的/RESET引腳立即輸出復位信號.使S3C2440芯片復位.

圖2 系統(tǒng)電源Fig. 2 Power of the system

1.3 LCD模塊

S3C2440有專用的LCD(Liquid Crystal Display ) 控制器,內(nèi)部集成LCD控制電路,可以支持單色、4級灰度或者16級灰度屏,并且它可以與256色和4096色的彩色STN LCD連接,這使得液晶屏和ARM的硬件連接十分簡單,極大簡化了設(shè)計電路[4].為了適應用戶對成本的考慮和在不同應用場合情況下需求的不同,本課題組設(shè)計了兩款液晶屏接口電路,分別是爭對于SHARP公司的3.5Inch Color TFT-LCD LQ035Q1DG02和AUO公司的5.7 Inch Color TFT-LCD G057VN01,前者配上鍵盤進行人機交互,而后者則使用觸摸方式進行人機交互.

背光電源如圖3所示.CAT4240芯片是一款DC/DC步進轉(zhuǎn)換器,能夠提供1個適合于驅(qū)動LED(Liquid Crystal Display)的精確固定電流.工作于1 MHz的固定轉(zhuǎn)換頻率,允許該器件能夠使用小值的外部陶瓷電容和電感.LED以串聯(lián)方式連接,通過外部電阻設(shè)置的穩(wěn)定電流來驅(qū)動.CAT4240高電壓輸出級非常適用于包括多達10個串聯(lián)LED的中型和大型面板的顯示.當系統(tǒng)采用3.5 Inch液晶屏時只需將R34焊接上而R33不焊接,當采用5.7 Inch液晶屏時則只需將R33焊接上而R34不焊接.這樣可以將兩款晶接口電路設(shè)計在同一個板卡上,使得本系統(tǒng)兼容兩款液晶屏,極大的方便了用戶的選擇.

圖3 LCD背光電源電路Fig. 3 Power supply circuit of Backlight

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶對于縫紉機的工作要求不一樣,為了方便用戶進行二次開發(fā),設(shè)計了SD接口電路.用戶開發(fā)出的控制伺服電機的運行軌跡的應用程序通過SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA.這樣的設(shè)計使得控制系統(tǒng)的軟硬件平臺具有良好的通用性、靈活性和擴展性[5].

1.5 ARM控制器的存儲器單元

本系統(tǒng)為ARM控制器配置了由2片16位的容量為128Mb的DRAM HY57V281620CT-H組成的32位存儲器[6],8位容量為64MB的 NAND Flash K9F1208U0C.WINCE操作系統(tǒng)存貯在NAND Flash中,系統(tǒng)啟動后固化在S3C2440內(nèi)部4K FLASH中的啟動代碼將操作系統(tǒng)在拷貝到DRAM中運行.

1.6 FPGA存儲器單元

FPGA 配置了容量為256Mb的16位高速DDR(Double Data Rate) 型SRAM(Static RAM) MT46V16M16TG,伺服電機驅(qū)動控制程序在此運行.另外提供了一片容量為512 KB的16位CMOS型SRAM芯片 IS62WV51216BLL,此空間用來存放用戶開發(fā)的應用程序,如圖4所示.其中MAX6367PKA29低功耗電源監(jiān)控電路,帶有備用電池及晶片啟動澆注.其復位引腳和輸入使能控制引腳由FPGA I/O口控制.輸出使能端與SRAM片選使能信號端相連,當輸入使能有效時輸出使能引腳產(chǎn)生低電平從而使能SRAM.當此電源監(jiān)控芯片檢測到供電電壓高于復位門檻電壓2.93 V時,也就是系統(tǒng)未掉電時,采用系統(tǒng)電源供電,同時對0.1 F大電容C48充電,當檢測到系統(tǒng)掉電時采用備用紐扣電池供電,當紐扣電池電量耗盡更換電池時采用C48電容對該芯片供電,采用這些措施充分保證了用戶應用程序掉電不消失.

1.7 FPGA與伺服驅(qū)動模塊通信接口

由FPGA和以太網(wǎng)物理收發(fā)器芯片DM9161A、以太網(wǎng)變壓器-濾波器芯片HS9016構(gòu)成的以太網(wǎng)接口電路,采用FFC連接器,利用雙絞線與伺服驅(qū)動模塊進行通信.實驗證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,通信效果良好.

圖4 應用程序存儲電路Fig. 4 Memory circuit of application program

1.8 伺服驅(qū)動單元

伺服驅(qū)動單元是電機的功率驅(qū)動部分,是驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動、電流檢測及過壓、欠壓、過載等保護功能.本系統(tǒng)中用一個交流伺服電機作為主軸電機,4個直流步進電機分別作為X軸步進電機、Y軸步進電機、剪線壓腳步進電機和抓線步進電機.電機的三相電源控制信號經(jīng)光電耦合器隔離,分別控制電機驅(qū)動智能模塊IPM的U、V、W三相輸入端,控制IPM的輸出功率晶體管導通或截止,得到驅(qū)動電機的輸出可調(diào)頻率的交流電壓,從而控制電機的轉(zhuǎn)動、運動方向及轉(zhuǎn)速.限于篇幅,在此不列出詳細的硬件設(shè)計原理圖.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為3部分,分別是基于ARM的程序設(shè)計、基于FPGA的程序設(shè)計以及基于具體應用的應用程序設(shè)計.本系統(tǒng)采用的WINCE操作系統(tǒng)是微軟公司推出的開源嵌入式操作系統(tǒng),資源豐富,集成了以太網(wǎng)、SD卡等常用的驅(qū)動,給出了液晶屏驅(qū)動程序的標準模塊,只需要根據(jù)實際使用的液晶屏參數(shù)進行相應修改即可,極大的縮短了開發(fā)周期. ARM控制芯片的程序流程圖見圖5中(a)圖所示,系統(tǒng)上電后NAND FLASH的前4K代碼會自動拷貝到S3C2440內(nèi)部自帶的SRAM中運行,這部分程序是系統(tǒng)的啟動代碼,首先進行初始化,包括時鐘、工作頻率、液晶屏等硬件的初始化,之后會將操作系統(tǒng)鏡像拷貝到DRAM中運行,如果應用程序有變更或更新,則通過總線將SD卡中的應用程序拷貝到為FPGA配置的SRAM中.如果通過液晶屏或者按鍵輸入要執(zhí)行的任務,則給FPGA傳送控制指令,FPGA調(diào)用相應的應用程序控制電機執(zhí)行操作.FPGA運動控制芯片的程序流程圖見圖5中(b)圖所示,系統(tǒng)上電后首先進行硬件初始化,然后進行系統(tǒng)自檢,如果自檢發(fā)現(xiàn)有錯誤則進行報警處理,否則系統(tǒng)進入到控制狀態(tài),要實時監(jiān)測是否接收到來自ARM的控制指令,如果有,則調(diào)用相應的電機控制程序并執(zhí)行.應用程序的設(shè)計為用戶根據(jù)具體的應用開發(fā),本文不做介紹.

3 設(shè)計注意事項

通過實際調(diào)試,在設(shè)計中有以下幾方面應予以重視.

1)由于系統(tǒng)的+5 V輸入電源是由伺服驅(qū)動模塊提供,為了避免干擾,建議用一個103的瓷片電容、一個100 μF的電解電容以及一個型號為GSMA321611-U0031的磁珠進行濾波處理.

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig. 5 Flow chart the software design

2)在設(shè)計PCB(Printed Circuit Board)時,模擬地和數(shù)字地應該分開布局,分別布線.SD卡、液晶屏的金屬外殼應該做接地處理,為機殼地,應該單獨走線.最后用型號為GSMA321611-U0031的磁珠將數(shù)字地、模擬地、機殼地進行共地處理.

3)由于變壓器-濾波器芯片HS9016輸出為差分信號,在PCB布線時盡量走等長線,用帶屏蔽的雙絞線與伺服驅(qū)動模塊進行通信.

4)TPS75003是一款開關(guān)電源芯片,建議嚴格按照其給出的參考布局進行PCB布局,否則極有可能造成電源輸出不穩(wěn)定而導致整個系統(tǒng)癱瘓.

5)由于該控制系統(tǒng)的PCB為六層板,建議在設(shè)計PCB時,對于電源部分的設(shè)計采用內(nèi)層分割和填充技術(shù),去掉內(nèi)層,局部制作成兩層板,這樣可以有效防止電源與其他電路相互干擾.

6)操作系統(tǒng)建議采用Wince,其BSP自帶USB、SD、以太網(wǎng)驅(qū)動,設(shè)計時無需改動.液晶屏也給出了標準模板,提供了API函數(shù),只需根據(jù)實際硬件設(shè)計情況修改相關(guān)寄存器即可,如此會大大降低開發(fā)難度和縮短開發(fā)時間.

4 結(jié)束語

隨著集成電路、計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應用越來越廣泛,基于各種嵌入式平臺的機電一體化技術(shù)已經(jīng)到來,并成為最具開放性的控制體系結(jié)構(gòu).將這種新型的控制體系應用于特種工業(yè)縫紉機領(lǐng)域,社會效益和經(jīng)濟效益良好.

本系統(tǒng)的設(shè)計有如下優(yōu)點:1)相對于國外的控制系統(tǒng)價格低廉,有較好的市場前景;2)基于ARM和FPGA架構(gòu)的系統(tǒng)在通用性和可擴展性方面得到充分保證;3)系統(tǒng)兼容兩款液晶屏,用戶可以在同一個硬件平臺上很方便的根據(jù)自己需求更換液晶屏;4)方便用戶進行二次開發(fā);5)安全低功耗的電源設(shè)計,保證系統(tǒng)的正常運行;6)控制系統(tǒng)集成在人機交互單元中,界面友好,操作方便,讓弱電系統(tǒng)跟伺服電機驅(qū)動的強電系統(tǒng)分離,有效消除系統(tǒng)干擾.

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Application of embedded technology on special industrial sewing machine

XIAO Chun-hua1, ZHANG Hong-tao2

(1.Optical-mechatronics Engineering Department, Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, HBUT, Wuhan 430068, China)

In the expensive price context of foreign industrial sewing machine control system, it is difficult for Chinese users to afford for it. A design scheme for a special industrial sewing machine control system based on embedded system of ARM and FPGA is introduced. The design of hardware,and,some important and typical problems in the design process are also been mentioned.The hardware have characteristics of universality、flexibility and scalability .It will brings big social and economic profit to implement the scheme.

industrial sewing machine; ARM; FPGA; embedded technology; design of hardware

TP368

A

1674-6236(2014)07-0154-04

2013-08-01稿件編號:201308015

教育部重點科技項目(206095);湖北省教育廳課題(2008B223);武漢市科研課題(2011108);武漢軟件工程職業(yè)學院課題(2011002)

肖春華(1980-),男,湖北松滋人,碩士,講師,工程師.研究方向:嵌入式系統(tǒng).