肖春華, 張洪濤

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

嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機(jī)上的應(yīng)用

肖春華1, 張洪濤2

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

為解決國(guó)外工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)用戶(hù)難以接受的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,通過(guò)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(jī)的控制部分的技術(shù)方案,提出相關(guān)硬件模塊的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題.軟硬件平臺(tái)具有良好的通用性、靈活性和擴(kuò)展性.方案的實(shí)現(xiàn)具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

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

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

相對(duì)于這些知名的外國(guó)企業(yè),國(guó)內(nèi)的一些知名縫紉機(jī)企業(yè)如新杰克縫紉機(jī)、中捷(ZOJE)縫紉機(jī)基本上還是在采取自己生產(chǎn)機(jī)械部分,采購(gòu)國(guó)外的一些控制器,然后組裝出售.為此開(kāi)發(fā)出一款可靠性較高,價(jià)格低廉的高速特種工業(yè)縫紉機(jī)電控系統(tǒng)將會(huì)有良好的市場(chǎng)前景.

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工業(yè)縫紉機(jī)由3部分組成,操作面板單元(人機(jī)交互單元)、伺服驅(qū)動(dòng)單元以及縫紉機(jī)機(jī)械單元,其中機(jī)械單元由專(zhuān)業(yè)縫紉機(jī)公司生產(chǎn),筆者不加以討論.本文設(shè)計(jì)完成的是整體電控縫紉機(jī)的控制部分的技術(shù)方案,是完成電控特種縫紉機(jī)的最關(guān)鍵部分,經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后以操作面板(人機(jī)交互單元)的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品中,伺服驅(qū)動(dòng)單元控制箱與之用RMII以太網(wǎng)方式的差分信號(hào)通信的形式通過(guò)電纜線(xiàn)相連.

整個(gè)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(jià)格便宜,抗干擾能力強(qiáng),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(dá)400 MHz 的主頻下,易于系統(tǒng)的移植和功能擴(kuò)展,在做界面顯示的時(shí)候有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但是在電機(jī)控制方面也存在相應(yīng)的短板問(wèn)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(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)的管理調(diào)度,

給用戶(hù)提供操作方便、簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面.作為從處理器,EP2C35-F484的數(shù)據(jù)線(xiàn)和讀/寫(xiě)信號(hào)直接受S3C2440芯片相應(yīng)的數(shù)據(jù)線(xiàn)和讀/寫(xiě)信號(hào)控制.EP2C35-F484是一種功能比較強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)級(jí)運(yùn)動(dòng)控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)四軸控制,可以對(duì)任意兩軸進(jìn)行直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ).在本系統(tǒng)中主要作用是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制,主CPU ARM通過(guò)總線(xiàn)向其發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng).

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(jì)難度,讓ARM內(nèi)核也工作在1.2 V的電壓下,此時(shí)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(jì)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(jì)要非常精準(zhǔn),因?yàn)?.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(jì)了兩路1.2 V的電壓,一路網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為+1.2 V,另一路網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為PLL_VCC,分別給ARM和FPGA供電,這樣就有效的防止了因?yàn)楦蓴_導(dǎo)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(dá)95%,大大地降低了對(duì)用在消費(fèi)類(lèi)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(gè)95%效率的3 A降壓控制器和一個(gè)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(dòng)單元提供.所有三種電源有單獨(dú)的軟起動(dòng),用小型陶瓷輸出電容能使LDO穩(wěn)定,每種電源有單獨(dú)的使能,以便靈活加電次序.TPS75003由于效率極高,所以相比于線(xiàn)性L(fǎng)DO芯片來(lái)說(shuō)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(fù)位電路

由于ARM芯片的高速,低功耗,低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低,對(duì)電源的紋波,瞬態(tài)響應(yīng)性能,時(shí)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(jì)的時(shí)候,在復(fù)位電路中采用的是帶IIc(Inter-Integrated Circuit)存儲(chǔ)器的電源控制芯片CATl025JI一30(復(fù)位門(mén)檻電壓為3.30～3.15 V),這樣可提高系統(tǒng)的可靠性.信號(hào)/RESET連接到S3C2440芯片的復(fù)位腳nRESET,當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí), CATl025JI-30的/RESET引腳立即輸出復(fù)位信號(hào).使S3C2440芯片復(fù)位.

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

1.3 LCD模塊

S3C2440有專(zhuān)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(jí)灰度或者16級(jí)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(jiǎn)單,極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路[4].為了適應(yīng)用戶(hù)對(duì)成本的考慮和在不同應(yīng)用場(chǎng)合情況下需求的不同,本課題組設(shè)計(jì)了兩款液晶屏接口電路,分別是爭(zhēng)對(duì)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(pán)進(jìn)行人機(jī)交互,而后者則使用觸摸方式進(jìn)行人機(jī)交互.

背光電源如圖3所示.CAT4240芯片是一款DC/DC步進(jìn)轉(zhuǎn)換器,能夠提供1個(gè)適合于驅(qū)動(dòng)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(guò)外部電阻設(shè)置的穩(wěn)定電流來(lái)驅(qū)動(dòng).CAT4240高電壓輸出級(jí)非常適用于包括多達(dá)10個(gè)串聯(lián)LED的中型和大型面板的顯示.當(dāng)系統(tǒng)采用3.5 Inch液晶屏?xí)r只需將R34焊接上而R33不焊接,當(dāng)采用5.7 Inch液晶屏?xí)r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(jì)在同一個(gè)板卡上,使得本系統(tǒng)兼容兩款液晶屏,極大的方便了用戶(hù)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(hù)對(duì)于縫紉機(jī)的工作要求不一樣,為了方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)了SD接口電路.用戶(hù)開(kāi)發(fā)出的控制伺服電機(jī)的運(yùn)行軌跡的應(yīng)用程序通過(guò)SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA.這樣的設(shè)計(jì)使得控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)具有良好的通用性、靈活性和擴(kuò)展性[5].

1.5 ARM控制器的存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)后固化在S3C2440內(nèi)部4K FLASH中的啟動(dòng)代碼將操作系統(tǒng)在拷貝到DRAM中運(yùn)行.

1.6 FPGA存儲(chǔ)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序在此運(yùn)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(lái)存放用戶(hù)開(kāi)發(fā)的應(yīng)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(dòng)澆注.其復(fù)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(hào)端相連,當(dāng)輸入使能有效時(shí)輸出使能引腳產(chǎn)生低電平從而使能SRAM.當(dāng)此電源監(jiān)控芯片檢測(cè)到供電電壓高于復(fù)位門(mén)檻電壓2.93 V時(shí),也就是系統(tǒng)未掉電時(shí),采用系統(tǒng)電源供電,同時(shí)對(duì)0.1 F大電容C48充電,當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)掉電時(shí)采用備用紐扣電池供電,當(dāng)紐扣電池電量耗盡更換電池時(shí)采用C48電容對(duì)該芯片供電,采用這些措施充分保證了用戶(hù)應(yīng)用程序掉電不消失.

1.7 FPGA與伺服驅(qū)動(dòng)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(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信.實(shí)驗(yàn)證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,通信效果良好.

圖4 應(yīng)用程序存儲(chǔ)電路Fig. 4 Memory circuit of application program

1.8 伺服驅(qū)動(dòng)單元

伺服驅(qū)動(dòng)單元是電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)部分,是驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)及過(guò)壓、欠壓、過(guò)載等保護(hù)功能.本系統(tǒng)中用一個(gè)交流伺服電機(jī)作為主軸電機(jī),4個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)分別作為X軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)、剪線(xiàn)壓腳步進(jìn)電機(jī)和抓線(xiàn)步進(jìn)電機(jī).電機(jī)的三相電源控制信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離,分別控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通或截止,得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出可調(diào)頻率的交流電壓,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速.限于篇幅,在此不列出詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)原理圖.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為3部分,分別是基于ARM的程序設(shè)計(jì)、基于FPGA的程序設(shè)計(jì)以及基于具體應(yīng)用的應(yīng)用程序設(shè)計(jì).本系統(tǒng)采用的WINCE操作系統(tǒng)是微軟公司推出的開(kāi)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(dòng),給出了液晶屏驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)模塊,只需要根據(jù)實(shí)際使用的液晶屏參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改即可,極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期. ARM控制芯片的程序流程圖見(jiàn)圖5中(a)圖所示,系統(tǒng)上電后NAND FLASH的前4K代碼會(huì)自動(dòng)拷貝到S3C2440內(nèi)部自帶的SRAM中運(yùn)行,這部分程序是系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼,首先進(jìn)行初始化,包括時(shí)鐘、工作頻率、液晶屏等硬件的初始化,之后會(huì)將操作系統(tǒng)鏡像拷貝到DRAM中運(yùn)行,如果應(yīng)用程序有變更或更新,則通過(guò)總線(xiàn)將SD卡中的應(yīng)用程序拷貝到為FPGA配置的SRAM中.如果通過(guò)液晶屏或者按鍵輸入要執(zhí)行的任務(wù),則給FPGA傳送控制指令,FPGA調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序控制電機(jī)執(zhí)行操作.FPGA運(yùn)動(dòng)控制芯片的程序流程圖見(jiàn)圖5中(b)圖所示,系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行硬件初始化,然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢,如果自檢發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤則進(jìn)行報(bào)警處理,否則系統(tǒng)進(jìn)入到控制狀態(tài),要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否接收到來(lái)自ARM的控制指令,如果有,則調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)控制程序并執(zhí)行.應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)為用戶(hù)根據(jù)具體的應(yīng)用開(kāi)發(fā),本文不做介紹.

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

通過(guò)實(shí)際調(diào)試,在設(shè)計(jì)中有以下幾方面應(yīng)予以重視.

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

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

2)在設(shè)計(jì)PCB(Printed Circuit Board)時(shí),模擬地和數(shù)字地應(yīng)該分開(kāi)布局,分別布線(xiàn).SD卡、液晶屏的金屬外殼應(yīng)該做接地處理,為機(jī)殼地,應(yīng)該單獨(dú)走線(xiàn).最后用型號(hào)為GSMA321611-U0031的磁珠將數(shù)字地、模擬地、機(jī)殼地進(jìn)行共地處理.

3)由于變壓器-濾波器芯片HS9016輸出為差分信號(hào),在PCB布線(xiàn)時(shí)盡量走等長(zhǎng)線(xiàn),用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信.

4)TPS75003是一款開(kāi)關(guān)電源芯片,建議嚴(yán)格按照其給出的參考布局進(jìn)行PCB布局,否則極有可能造成電源輸出不穩(wěn)定而導(dǎo)致整個(gè)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(jì)PCB時(shí),對(duì)于電源部分的設(shè)計(jì)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(dòng),設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需改動(dòng).液晶屏也給出了標(biāo)準(zhǔn)模板,提供了API函數(shù),只需根據(jù)實(shí)際硬件設(shè)計(jì)情況修改相關(guān)寄存器即可,如此會(huì)大大降低開(kāi)發(fā)難度和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,基于各種嵌入式平臺(tái)的機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)到來(lái),并成為最具開(kāi)放性的控制體系結(jié)構(gòu).將這種新型的控制體系應(yīng)用于特種工業(yè)縫紉機(jī)領(lǐng)域,社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益良好.

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn):1)相對(duì)于國(guó)外的控制系統(tǒng)價(jià)格低廉,有較好的市場(chǎng)前景;2)基于ARM和FPGA架構(gòu)的系統(tǒng)在通用性和可擴(kuò)展性方面得到充分保證;3)系統(tǒng)兼容兩款液晶屏,用戶(hù)可以在同一個(gè)硬件平臺(tái)上很方便的根據(jù)自己需求更換液晶屏;4)方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā);5)安全低功耗的電源設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行;6)控制系統(tǒng)集成在人機(jī)交互單元中,界面友好,操作方便,讓弱電系統(tǒng)跟伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)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(hào):201308015

教育部重點(diǎn)科技項(xiàng)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(xué)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).