嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機(jī)上的應(yīng)用

摘要：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。

關(guān)鍵詞：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(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(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(guò)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(wèn)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(guò)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(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。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(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，極大的方便了用戶的選擇。