基于ARM和FPGA的電腦繡花機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電腦繡花機(jī)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)的光、機(jī)、電一體化設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及研究風(fēng)頭正勁，其在數(shù)字機(jī)床、智能控制等方面的應(yīng)用正逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。電腦繡花機(jī)是當(dāng)代最先進(jìn)的繡花機(jī)械，它能使傳統(tǒng)的手工繡花得到高速度、高效率的實(shí)現(xiàn)，并且還能實(shí)現(xiàn)手工繡花無(wú)法達(dá)到的”多層次、多功能、統(tǒng)一性和完美性”的要求。它是一種體現(xiàn)多種高新科技的機(jī)電產(chǎn)品。繡花機(jī)控制電路部分更相當(dāng)于人的大腦及神經(jīng)，繡花機(jī)的諸多功能很大程度上都是由電路部分決定。國(guó)產(chǎn)繡花機(jī)在自動(dòng)化程度、操作人性化程度、存儲(chǔ)容量、顯示技術(shù)、運(yùn)行效率和故障發(fā)生率方面與國(guó)外相比存在著較大差距。本文中所介紹的電腦繡花機(jī)控制系統(tǒng)在以上幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。

目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的繡花機(jī)控制系統(tǒng)如：以dsp(digital signal processing)為主控制器結(jié)合外圍電路組成控制、采用已開(kāi)發(fā)好的工控主板、采用基于雙16位單片機(jī)系統(tǒng)等。且都能滿足繡花機(jī)的功能要求，但是隨著用戶需求進(jìn)一步的提高，如要求提高繡花速度，存儲(chǔ)大容量花樣文件，采用大屏幕真色彩實(shí)時(shí)顯示，在縫紉過(guò)程中顯示各個(gè)縫紉狀態(tài)，防止由于主軸電機(jī)與繡框電機(jī)之間的互相協(xié)調(diào)能力不足造成的繡針輕微拉布等時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)采用單個(gè)控制器已很難滿足設(shè)備多功能的要求。所以本文擬采用risc體系結(jié)構(gòu)的arm處理器擴(kuò)展fpga及存儲(chǔ)器等作為硬件平臺(tái)；采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)wince作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)便于有效管理內(nèi)存、實(shí)現(xiàn)多任務(wù)編程。

電腦繡花機(jī)基本工作原理

電腦繡花機(jī)的工作原理是按照傳統(tǒng)繡花流程，使用成熟的計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。首先通過(guò)pc機(jī)上的打版軟件將刺繡花樣打成花樣文件，然后將花樣文件存貯于u盤(pán)。工作時(shí)，首先通過(guò)u盤(pán)接口電路讀出編程打版好的花樣文件，再通過(guò)觸摸屏上顯示的人機(jī)界面設(shè)置好主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、換色方式等一系列功能，主控器就會(huì)通過(guò)讀取存貯與u盤(pán)上的花樣數(shù)據(jù)，并通過(guò)一定的規(guī)律進(jìn)行解碼來(lái)控制x及y方向的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)作平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)使針進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)（主軸電機(jī)）的回轉(zhuǎn)，從而對(duì)x-y工作臺(tái)及針的擺動(dòng)完成間斷運(yùn)動(dòng)的配合、協(xié)調(diào)控制，控制過(guò)程中通過(guò)光電編碼器，cpu能隨時(shí)得知主軸狀態(tài)，以此來(lái)控制針的抬起或是落下及主軸電機(jī)的起停。針桿帶者針和線上下運(yùn)動(dòng)做刺繡動(dòng)作，被刺繡品隨著繡花框沿x，y方向運(yùn)動(dòng)而得到繡花圖案。需要注意的是只有當(dāng)主軸角度在某兩個(gè)角度之間時(shí)，即繡針離開(kāi)布料到插入布料之間的時(shí)隙，x, y軸步進(jìn)電機(jī)才可以運(yùn)動(dòng)，否則，繡針將劃傷布面或是繡針被損壞。在此基本原理上，電腦繡花機(jī)還加入了斷線檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能模塊，使其工作穩(wěn)定便捷。

控制對(duì)象模塊及功能劃分

根據(jù)對(duì)繡花機(jī)的功能分析，將繡花機(jī)整體控制系統(tǒng)的功能模塊劃分為以下幾個(gè)模塊：

?主控器模塊。利用cpu實(shí)現(xiàn)對(duì)總體繡花過(guò)程的控制，完成與各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)通信，調(diào)度各個(gè)模塊之間的關(guān)系，將要完成的任務(wù)交給具體模塊實(shí)現(xiàn)；
?主軸電機(jī)控制模塊。對(duì)主控器模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成對(duì)主軸電機(jī)的控制；
?繡框電機(jī)控制模塊。對(duì)主控器模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成對(duì)繡框電機(jī)的控制；
?人機(jī)交互模塊。該模塊包括lcd顯示和鍵盤(pán)輸入，完成工作人員與主控制器的交互任務(wù)；
?自動(dòng)換色模塊。該模塊通過(guò)控制換色電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換色功能, 換色要求精確定位；
?自動(dòng)剪線模塊。該模塊完成自動(dòng)剪線的功能，使得機(jī)器工作效率更高；
?斷線檢測(cè)模塊。該模塊用來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷線等故障并且具有報(bào)警功能, 通過(guò)譯碼接口電路可以判斷出哪個(gè)針位出現(xiàn)斷線；
?軟區(qū)接口模塊。cpu通過(guò)該模塊可以從軟盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外存數(shù)據(jù)交換；
?usb接口模塊。cpu通過(guò)該模塊可以從u盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)；
?針位檢測(cè)、拉桿檢測(cè)、限位檢測(cè)。它們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)提供這幾個(gè)機(jī)械部件的位置，并可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器工作中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

硬件系統(tǒng)的構(gòu)架

按照繡花機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能將整個(gè)系統(tǒng)分成了若干功能模塊。本設(shè)計(jì)中選用的fpga芯片為altera公司的cyclone2系列芯片ep1c6。采用arm + fpga的雙核結(jié)構(gòu)將集成arm處理器和fpga的優(yōu)點(diǎn)，這樣既滿足了對(duì)系統(tǒng)部件集成的需要，又使系統(tǒng)具有了運(yùn)算速度快、控制能力強(qiáng)、內(nèi)存空間大、數(shù)據(jù)交換速度快等優(yōu)點(diǎn)。 其主要設(shè)計(jì)思想是以arm為主處理器，fpga為協(xié)處理器。利用s3c2410a強(qiáng)大的功能和豐富的外部接口來(lái)簡(jiǎn)化外圍接口電路的復(fù)雜度，減少器件的數(shù)量，同時(shí)利用fpga可并行操作和內(nèi)部硬件資源豐富的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正的并行處理，另外還可將外圍邏輯電路用fpga實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)繡花機(jī)功能的要求，硬件電路需要提供各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)，其具體硬件框圖見(jiàn)圖1。