基于ARM和FPGA的電腦繡花機控制系統的設計

電腦繡花機是隨著計算機技術、電子技術、機械加工技術的應用發展而不斷發展起來的光、機、電一體化設備。嵌入式系統的發展及研究風頭正勁，其在數字機床、智能控制等方面的應用正逐漸改變著傳統的工業生產和服務方式。電腦繡花機是當代最先進的繡花機械，它能使傳統的手工繡花得到高速度、高效率的實現，并且還能實現手工繡花無法達到的”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品。繡花機控制電路部分更相當于人的大腦及神經，繡花機的諸多功能很大程度上都是由電路部分決定。國產繡花機在自動化程度、操作人性化程度、存儲容量、顯示技術、運行效率和故障發生率方面與國外相比存在著較大差距。本文中所介紹的電腦繡花機控制系統在以上幾個方面進行了改進，縮小了與世界先進水平的差距。

目前國內比較先進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、采用已開發好的工控主板、采用基于雙16位單片機系統等。且都能滿足繡花機的功能要求，但是隨著用戶需求進一步的提高，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時顯示，在縫紉過程中顯示各個縫紉狀態，防止由于主軸電機與繡框電機之間的互相協調能力不足造成的繡針輕微拉布等時，此時系統采用單個控制器已很難滿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；采用結構簡單，功能強大的嵌入式實時操作系統wince作為系統軟件平臺便于有效管理內存、實現多任務編程。

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過程進行控制，以達到提高生產效率和穩定產品質量的目的。首先通過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。工作時，首先通過u盤接口電路讀出編程打版好的花樣文件，再通過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，主控器就會通過讀取存貯與u盤上的花樣數據，并通過一定的規律進行解碼來控制x及y方向的兩個步進電機帶動工作臺作平面運動，同時監測使針進行上下運動的電機（主軸電機）的回轉，從而對x-y工作臺及針的擺動完成間斷運動的配合、協調控制，控制過程中通過光電編碼器，cpu能隨時得知主軸狀態，以此來控制針的抬起或是落下及主軸電機的起停。針桿帶者針和線上下運動做刺繡動作，被刺繡品隨著繡花框沿x，y方向運動而得到繡花圖案。需要注意的是只有當主軸角度在某兩個角度之間時，即繡針離開布料到插入布料之間的時隙，x, y軸步進電機才可以運動，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模塊：

?主控器模塊。利用cpu實現對總體繡花過程的控制，完成與各個模塊之間的數據通信，調度各個模塊之間的關系，將要完成的任務交給具體模塊實現；
?主軸電機控制模塊。對主控器模塊發來的數據進行處理，并完成對主軸電機的控制；
?繡框電機控制模塊。對主控器模塊發來的數據進行處理，并完成對繡框電機的控制；
?人機交互模塊。該模塊包括lcd顯示和鍵盤輸入，完成工作人員與主控制器的交互任務；
?自動換色模塊。該模塊通過控制換色電機實現自動換色功能, 換色要求精確定位；
?自動剪線模塊。該模塊完成自動剪線的功能，使得機器工作效率更高；
?斷線檢測模塊。該模塊用來及時發現斷線等故障并且具有報警功能, 通過譯碼接口電路可以判斷出哪個針位出現斷線；
?軟區接口模塊。cpu通過該模塊可以從軟盤上讀取數據實現內存和外存數據交換；
?usb接口模塊。cpu通過該模塊可以從u盤上讀取數據；
?針位檢測、拉桿檢測、限位檢測。它們為控制系統提供這幾個機械部件的位置，并可以及時發現機器工作中出現的錯誤，避免生產事故的發生。

硬件系統的構架

按照繡花機需要實現的功能將整個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的優點，這樣既滿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點。 其主要設計思想是以arm為主處理器，fpga為協處理器。利用s3c2410a強大的功能和豐富的外部接口來簡化外圍接口電路的復雜度，減少器件的數量，同時利用fpga可并行操作和內部硬件資源豐富的特點，實現真正的并行處理，另外還可將外圍邏輯電路用fpga實現，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功能實現的硬件平臺，其具體硬件框圖見圖1。