嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機上的應用

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶(hù)對于縫紉機的工作要求不一樣，為了方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設計了SD接口電路。用戶(hù)開(kāi)發(fā)出的控制伺服電機的運行軌跡的應用程序通過(guò)SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA。這樣的設計使得控制系統的軟硬件平臺具有良好的通用性、靈活性和擴展性。

1.5 ARM控制器的存儲器單元

本系統為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位存儲器，8位容量為64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。WINCE操作系統存貯在NAND Flash中，系統啟動(dòng)后固化在S3C2440內部4KFLASH中的啟動(dòng)代碼將操作系統在拷貝到DRAM中運行。

1.6 FPGA存儲器單元

FPGA配置了容量為256Mb的16位高速DDR(Double Data Rate)型SRAM(Static RAM)MT46V16M16TG，伺服電機驅動(dòng)控制程序在此運行。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(lái)存放用戶(hù)開(kāi)發(fā)的應用程序，如圖4所示。其中MAX6367PKA29低功耗電源監控電路，帶有備用電池及晶片啟動(dòng)澆注。其復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片選使能信號端相連，當輸入使能有效時(shí)輸出使能引腳產(chǎn)生低電平從而使能SRAM。當此電源監控芯片檢測到供電電壓高于復位門(mén)檻電壓2.93 V時(shí)，也就是系統未掉電時(shí)，采用系統電源供電，同時(shí)對0.1 F大電容C48充電，當檢測到系統掉電時(shí)采用備用紐扣電池供電，當紐扣電池電量耗盡更換電池時(shí)采用C48電容對該芯片供電，采用這些措施充分保證了用戶(hù)應用程序掉電不消失。

1.7 FPGA與伺服驅動(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構成的以太網(wǎng)接口電路，采用FFC連接器，利用雙絞線(xiàn)與伺服驅動(dòng)模塊進(jìn)行通信。實(shí)驗證明數據傳輸穩定，通信效果良好。

1.8 伺服驅動(dòng)單元

伺服驅動(dòng)單元是電機的功率驅動(dòng)部分，是驅動(dòng)電機運轉的關(guān)鍵，該部份包括整流、逆變、前置驅動(dòng)、電流檢測及過(guò)壓、欠壓、過(guò)載等保護功能。本系統中用一個(gè)交流伺服電機作為主軸電機，4個(gè)直流步進(jìn)電機分別作為x軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機、剪線(xiàn)壓腳步進(jìn)電機和抓線(xiàn)步進(jìn)電機。電機的三相電源控制信號經(jīng)光電耦合器隔離，分別控制電機驅動(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通或截止，得到驅動(dòng)電機的輸出可調頻率的交流電壓，從而控制電機的轉動(dòng)、運動(dòng)方向及轉速。限于篇幅，在此不列出詳細的硬件設計原理圖。

2 系統軟件設計

本系統的軟件設計分為3部分，分別是基于A(yíng)RM的程序設計、基于FPGA的程序設計以及基于具體應用的應用程序設計。本系統采用的WINCE操作系統是微軟公司推出的開(kāi)源嵌入式操作系統，資源豐富，集成了以太網(wǎng)、SD卡等常用的驅動(dòng)，給出了液晶屏驅動(dòng)程序的標準模塊，只需要根據實(shí)際使用的液晶屏參數進(jìn)行相應修改即可，極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期。

ARM控制芯片的程序流程圖見(jiàn)圖5中(a)圖所示，系統上電后NAND FLASH的前4K代碼會(huì )自動(dòng)拷貝到S3C2440內部自帶的SRAM中運行，這部分程序是系統的啟動(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 )將操作系統鏡像拷貝到DRAM中運行，如果應用程序有變更或更新，則通過(guò)總線(xiàn)將SD卡中的應用程序拷貝到為FPGA配置的SRAM中。如果通過(guò)液晶屏或者按鍵輸入要執行的任務(wù)，則給FPGA傳送控制指令，FPGA調用相應的應用程序控制電機執行操作。FPGA運動(dòng)控制芯片的程序流程圖見(jiàn)圖5中(b)圖所示，系統上電后首先進(jìn)行硬件初始化，然后進(jìn)行系統自檢，如果自檢發(fā)現有錯誤則進(jìn)行報警處理，否則系統進(jìn)入到控制狀態(tài)，要實(shí)時(shí)監測是否接收到來(lái)自ARM的控制指令，如果有，則調用相應的電機控制程序并執行。應用程序的設計為用戶(hù)根據具體的應用開(kāi)發(fā)，本文不做介紹。

3 設計注意事項

通過(guò)實(shí)際調試，在設計中有以下幾方面應予以重視。

1)由于系統的+5 V輸入電源是由伺服驅動(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)型號為GSMA321611-U0031的磁珠進(jìn)行濾波處理。

2)在設計PCB(Printed Circuit Board)時(shí)，模擬地和數字地應該分開(kāi)布局，分別布線(xiàn)。SD卡、液晶屏的金屬外殼應該做接地處理，為機殼地，應該單獨走線(xiàn)。最后用型號為GSMA321611—U0031的磁珠將數字地、模擬地、機殼地進(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，在PCB布線(xiàn)時(shí)盡量走等長(cháng)線(xiàn)，用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)與伺服驅動(dòng)模塊進(jìn)行通信。

4)TPS75003是一款開(kāi)關(guān)電源芯片，建議嚴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定而導致整個(gè)系統癱瘓。

5)由于該控制系統的PCB為六層板，建議在設計PCB時(shí)，對于電源部分的設計采用內層分割和填充技術(shù)，去掉內層，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)操作系統建議采用Wince，其BSP自帶USB、SD、以太網(wǎng)驅動(dòng)，設計時(shí)無(wú)需改動(dòng)。液晶屏也給出了標準模板，提供了API函數，只需根據實(shí)際硬件設計情況修改相關(guān)寄存器即可，如此會(huì )大大降低開(kāi)發(fā)難度和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)集成電路、計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應用越來(lái)越廣泛，基于各種嵌入式平臺的機電一體化技術(shù)已經(jīng)到來(lái)，并成為最具開(kāi)放性的控制體系結構。將這種新型的控制體系應用于特種工業(yè)縫紉機領(lǐng)域，社會(huì )效益和經(jīng)濟效益良好。