基于嵌入式技術(shù)的高速特種工業(yè)縫紉機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

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，德國(guó)杜克普（DRKOOP）、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，但是其價(jià)格動(dòng)輒二十多萬，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)通信的形式通過電纜線相連。

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)的短板問題，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)線和讀/寫信號(hào)直接受S3C2440芯片相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號(hào)控制。EP2C35-F484是一種功能比較強(qiáng)大的專業(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通過總線向其發(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33 V。FPGA鎖相環(huán)丁作電壓為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(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。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CAT1025JI-30（復(fù)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(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)，CAT1025JI-30的/RESET引腳立即輸出復(fù)位信號(hào)。使S3C2440芯片復(fù)位。

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(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。為了適應(yīng)用戶對(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的同定轉(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(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，極大的方便了用戶的選擇。

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶對(duì)于縫紉機(jī)的工作要求不一樣，為了方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了SD接口電路。用戶開發(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。

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，8位容量為64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。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4KFLASH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，此空間用來存放用戶開發(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。

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)及過壓、欠壓、過載等保護(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)、剪線壓腳步進(jìn)電機(jī)和抓線步進(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(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，則通過總線將SD卡中的應(yīng)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(wù)，則給FPGA傳送控制指令，F(xiàn)PGA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)為用戶根據(jù)具體的應(yīng)用開發(fā)，本文不做介紹。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

通過實(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)100μF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。

2）在設(shè)計(jì)PCB（Printed Circuit Board）時(shí)，模擬地和數(shù)字地應(yīng)該分開布局，分別布線。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。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）由于變壓器一濾波器芯片HS9016輸出為差分信號(hào)，在PCB布線時(shí)盡量走等長(zhǎng)線，用帶屏蔽的雙絞線與伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信。

4）TPS75003是一款開關(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)大大降低開發(fā)難度和縮短開發(fā)時(shí)間。

4 結(jié)束語

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，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(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）方便用戶進(jìn)行二次開發(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。