基于A(yíng)Tmega128單片機的壓電式賈卡控制系統設計
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1．3 硬件各部分設計
1．3．1 MCU控制中心
本經(jīng)編機賈卡控制系統采用美國ATMEL公司資源豐富的ATmega128產(chǎn)品作為主控芯片進(jìn)行設計。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高，加密性強和易實(shí)現等諸多優(yōu)點(diǎn)。ATmega128具有128 KB的系統內可編程FLASH、4 KB的E2PROM、4 KB的SRAM、53個(gè)通用I／O口線(xiàn)、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計數器(T／C)、2個(gè)USART、面向字節的兩線(xiàn)接口TWI、8通道10位ADC、具有片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、SPI串行端口、與IEEE 1149．1規范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執行時(shí)間，ATmega128的數據吞吐率高1 MIPS／MHz，比普通的復雜指令集微處理器高10倍，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。
1．3．2 RS 485通信
在實(shí)際應用中采用一臺主機控制多臺從機。根據設備的基本要求，從機與主機間的通訊速度不需要太高，一般采用9 600 b／s或14 400 b／s即可。所以本系統通訊總線(xiàn)采用半雙工RS 485總線(xiàn)即可達到要求，且造價(jià)低廉，穩定性好。用MAX485芯片在控制信號下可以完成與上位機的通訊，實(shí)現數據的傳輸，主要是接收上位機傳來(lái)的選針花型數據以及發(fā)過(guò)來(lái)的控制命令。
1．3．3 掉電存儲
圖2中，掉電存儲部分采用FM24C512。它帶有2線(xiàn)工業(yè)標準串行接口的512 KB非易失性FRAM，且與工業(yè)標準24C512的E2PROM的引腳兼容，極易進(jìn)行容量擴展。為滿(mǎn)足系統需要，本設計采用了兩片FM24C512，組成了1 MB的存儲空間。該存儲器以高達1 MHz的總線(xiàn)速度執行讀操作和無(wú)須等待的寫(xiě)入操作，擦寫(xiě)次數超過(guò)100億次，避免了一般E2PROM存儲器需要很長(cháng)的擦寫(xiě)延遲時(shí)間和輪詢(xún)軟件，擦寫(xiě)次數并少于100萬(wàn)次的弊端。其工作電壓是5 V，讀寫(xiě)頻率在100 kHz時(shí)電流消耗為250μA，具有極低的功耗?？稍?40～+85℃的工業(yè)溫度范圍內工作，同時(shí)提供45年的數據保留能力，信息保存可靠。利用AT-mega128的兩線(xiàn)接口TWI(I2C)對FM24C512進(jìn)行操作，簡(jiǎn)單方便，滿(mǎn)足系統要求。正是由于以上原因，系統設計舍棄了單片機自身所具有的E2PROM而采用了FM24C512作為掉電存儲器。
1．3．4 信號傳輸
系統的控制過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)控制，信號傳輸過(guò)程如圖2中所示，MCU通過(guò)花型數據來(lái)驅動(dòng)提花機的賈卡動(dòng)作，同時(shí)提花機將賈卡的當前狀態(tài)反饋給MCU，MCU根據實(shí)時(shí)的賈卡狀態(tài)修正或準備新的花型數據并驅動(dòng)賈卡動(dòng)作，從而形成回路控制。
控制系統一次性傳輸的數據量較大，每臺賈卡經(jīng)編機上一般有幾千把導紗針同時(shí)動(dòng)作，單片機控制導紗針的每一個(gè)動(dòng)作都需要向外輸出幾千位的控制信號，使用并行輸出，受單片機端口數限制必定行不通。使用串行轉并行輸出則可以很好地解決問(wèn)題，所以系統采取的是單片機串行輸出花型數據到賈卡的驅動(dòng)電路，驅動(dòng)電路將串行數據轉化成并行數據執行動(dòng)作的方式。雖然串行比并行傳輸的速度慢，但根據實(shí)際需要在規定的時(shí)間內傳輸完幾千位的數據還是可以做到的。因此，信號傳輸過(guò)程對速度和抗干擾能力的要求較高，同時(shí)系統中賈卡驅動(dòng)電路設計至關(guān)重要。
為防止電源等對信號的干擾，對輸出的花型數據信號進(jìn)行光電隔離，經(jīng)隔離后的信號通過(guò)信號長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)器MC3487轉換成RS 422信號，將TTL邏輯電平變?yōu)殡娢恍盘杹?lái)實(shí)現信息傳送。同理，MCU接收的反饋賈卡狀態(tài)信號也需要經(jīng)過(guò)長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)器MC3487和長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)接收器MC3486的處理后經(jīng)過(guò)光隔進(jìn)入單片機。這樣的設計不僅可以增加系統的抗干擾能力，同時(shí)可以支持較高的傳輸速率和較長(cháng)的傳輸距離。
1．3．5 光電隔離
為滿(mǎn)足系統高速、低功耗、可靠的信號傳輸要求，光隔部分采用6N137光耦合器。它是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個(gè)850 nm波長(cháng)A1GaAsLED和一個(gè)集成檢測器組成，其檢測器由一個(gè)光敏二極管、高增益線(xiàn)性運放及一個(gè)肖特基箝位的集電極開(kāi)路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL／TTL兼容，高速(典型為10 MBd)，5 mA的極小輸入電流。
1．3．6 賈卡驅動(dòng)
本設計采用硅結構的CMOS器件74HC595作為串行移位輸出，其兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。8位串行輸入、8位串行或并行輸出，具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時(shí)鐘。輸出寄存器可以直接清除，具有1OO MHz的移位頻率，并行輸出，總線(xiàn)驅動(dòng)。數據在SHCP上升沿進(jìn)入移位寄存器后，在STCP上升沿輸出到并行口進(jìn)行驅動(dòng)。串行移位輸出電路原理如圖3所示。 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/173571.htm
根據賈卡導紗針的工作原理，驅動(dòng)電路要根據花型數據給壓電陶瓷加正或負60 V直流電。驅動(dòng)電路如圖4所示，主要由74HC541為八緩沖器／驅動(dòng)器、2個(gè)2N5551型三極管、2個(gè)2N5401等組成。
壓電陶瓷驅動(dòng)電路的工作原理為：由控制系統輸出的脈沖信號DIN，一路輸入到第一組由QA1和QA3組成的正電源開(kāi)關(guān)電路，另外一路經(jīng)過(guò)74HC541緩沖輸入到第二組由QA2和QA4組成的負電源開(kāi)關(guān)電路，這兩組開(kāi)關(guān)電路由DIN統一控制。當DIN為高時(shí)，第一組開(kāi)關(guān)電路導通，第二組關(guān)斷，正電壓+V輸出加到壓電陶瓷端(VOUT)；當DIN為低時(shí)，第二組開(kāi)關(guān)電路導通，第一組關(guān)斷，負電壓-V輸出加到電陶瓷端(VOUT)。這樣通過(guò)系統輸出的脈沖信號不斷變化即能控制壓電陶瓷導紗針的左右擺動(dòng)，將電能轉換成機械能，實(shí)現提花選針。
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