基于A(yíng)RM和FPGA的電腦繡花機控制系統的設計

電腦繡花機是隨著(zhù)計算機技術(shù)、電子技術(shù)、機械加工技術(shù)的應用發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)的光、機、電一體化設備。嵌入式系統的發(fā)展及研究風(fēng)頭正勁，其在數字機床、智能控制等方面的應用正逐漸改變著(zhù)傳統的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。電腦繡花機是當代最先進(jìn)的繡花機械，它能使傳統的手工繡花得到高速度、高效率的實(shí)現，并且還能實(shí)現手工繡花無(wú)法達到的”多層次、多功能、統一性和完美性”的要求。它是一種體現多種高新科技的機電產(chǎn)品。繡花機控制電路部分更相當于人的大腦及神經(jīng)，繡花機的諸多功能很大程度上都是由電路部分決定。國產(chǎn)繡花機在自動(dòng)化程度、操作人性化程度、存儲容量、顯示技術(shù)、運行效率和故障發(fā)生率方面與國外相比存在著(zhù)較大差距。本文中所介紹的電腦繡花機控制系統在以上幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。

目前國內比較先進(jìn)的繡花機控制系統如：以dsp(digital signal processing)為主控制器結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位單片機系統等。且都能滿(mǎn)足繡花機的功能要求，但是隨著(zhù)用戶(hù)需求進(jìn)一步的提高，如要求提高繡花速度，存儲大容量花樣文件，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)，防止由于主軸電機與繡框電機之間的互相協(xié)調能力不足造成的繡針輕微拉布等時(shí)，此時(shí)系統采用單個(gè)控制器已很難滿(mǎn)足設備多功能的要求。所以本文擬采用risc體系結構的arm處理器擴展fpga及存儲器等作為硬件平臺；采用結構簡(jiǎn)單，功能強大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統wince作為系統軟件平臺便于有效管理內存、實(shí)現多任務(wù)編程。

電腦繡花機基本工作原理

電腦繡花機的工作原理是按照傳統繡花流程，使用成熟的計算機嵌入式系統對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，以達到提高生產(chǎn)效率和穩定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。首先通過(guò)pc機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界面設置好主軸電機轉速、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)上的花樣數據，并通過(guò)一定的規律進(jìn)行解碼來(lái)控制x及y方向的兩個(gè)步進(jìn)電機帶動(dòng)工作臺作平面運動(dòng)，同時(shí)監測使針進(jìn)行上下運動(dòng)的電機（主軸電機）的回轉，從而對x-y工作臺及針的擺動(dòng)完成間斷運動(dòng)的配合、協(xié)調控制，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的起停。針桿帶者針和線(xiàn)上下運動(dòng)做刺繡動(dòng)作，被刺繡品隨著(zhù)繡花框沿x，y方向運動(dòng)而得到繡花圖案。需要注意的是只有當主軸角度在某兩個(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)電機才可以運動(dòng)，否則，繡針將劃傷布面或是繡針被損壞。在此基本原理上，電腦繡花機還加入了斷線(xiàn)檢測、數據存儲等功能模塊，使其工作穩定便捷。

控制對象模塊及功能劃分

根據對繡花機的功能分析，將繡花機整體控制系統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)現對總體繡花過(guò)程的控制，完成與各個(gè)模塊之間的數據通信，調度各個(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；
?主軸電機控制模塊。對主控器模塊發(fā)來(lái)的數據進(jìn)行處理，并完成對主軸電機的控制；
?繡框電機控制模塊。對主控器模塊發(fā)來(lái)的數據進(jìn)行處理，并完成對繡框電機的控制；
?人機交互模塊。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)控制換色電機實(shí)現自動(dòng)換色功能, 換色要求精確定位；
?自動(dòng)剪線(xiàn)模塊。該模塊完成自動(dòng)剪線(xiàn)的功能，使得機器工作效率更高；
?斷線(xiàn)檢測模塊。該模塊用來(lái)及時(shí)發(fā)現斷線(xiàn)等故障并且具有報警功能, 通過(guò)譯碼接口電路可以判斷出哪個(gè)針位出現斷線(xiàn)；
?軟區接口模塊。cpu通過(guò)該模塊可以從軟盤(pán)上讀取數據實(shí)現內存和外存數據交換；
?usb接口模塊。cpu通過(guò)該模塊可以從u盤(pán)上讀取數據；
?針位檢測、拉桿檢測、限位檢測。它們?yōu)榭刂葡到y提供這幾個(gè)機械部件的位置，并可以及時(shí)發(fā)現機器工作中出現的錯誤，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

硬件系統的構架

按照繡花機需要實(shí)現的功能將整個(gè)系統分成了若干功能模塊。本設計中選用的fpga芯片為altera公司的cyclone2系列芯片ep1c6。采用arm + fpga的雙核結構將集成arm處理器和fpga的優(yōu)點(diǎn)，這樣既滿(mǎn)足了對系統部件集成的需要，又使系統具有了運算速度快、控制能力強、內存空間大、數據交換速度快等優(yōu)點(diǎn)。 其主要設計思想是以arm為主處理器，fpga為協(xié)處理器。利用s3c2410a強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雜度，減少器件的數量，同時(shí)利用fpga可并行操作和內部硬件資源豐富的特點(diǎn)，實(shí)現真正的并行處理，另外還可將外圍邏輯電路用fpga實(shí)現，這樣可以提高系統的執行效率和增強系統的穩定性。根據繡花機功能的要求，硬件電路需要提供各個(gè)功能實(shí)現的硬件平臺，其具體硬件框圖見(jiàn)圖1。