基于ATmega128單片機(jī)的壓電式賈卡控制系統(tǒng)設(shè)計
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1．3 硬件各部分設(shè)計
1．3．1 MCU控制中心
本經(jīng)編機(jī)賈卡控制系統(tǒng)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(shè)計。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(qiáng)和易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。ATmega128具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH、4 KB的E2PROM、4 KB的SRAM、53個通用I／O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)、2個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE 1149．1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過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(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高1 MIPS／MHz，比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。
1．3．2 RS 485通信
在實際應(yīng)用中采用一臺主機(jī)控制多臺從機(jī)。根據(jù)設(shè)備的基本要求，從機(jī)與主機(jī)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(tǒng)通訊總線采用半雙工RS 485總線即可達(dá)到要求，且造價低廉，穩(wěn)定性好。用MAX485芯片在控制信號下可以完成與上位機(jī)的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，主要是接收上位機(jī)傳來的選針花型數(shù)據(jù)以及發(fā)過來的控制命令。
1．3．3 掉電存儲
圖2中，掉電存儲部分采用FM24C512。它帶有2線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口的512 KB非易失性FRAM，且與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24C512的E2PROM的引腳兼容，極易進(jìn)行容量擴(kuò)展。為滿足系統(tǒng)需要，本設(shè)計采用了兩片F(xiàn)M24C512，組成了1 MB的存儲空間。該存儲器以高達(dá)1 MHz的總線速度執(zhí)行讀操作和無須等待的寫入操作，擦寫次數(shù)超過100億次，避免了一般E2PROM存儲器需要很長的擦寫延遲時間和輪詢軟件，擦寫次數(shù)并少于100萬次的弊端。其工作電壓是5 V，讀寫頻率在100 kHz時電流消耗為250μA，具有極低的功耗?？稍?40～+85℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，同時提供45年的數(shù)據(jù)保留能力，信息保存可靠。利用AT-mega128的兩線接口TWI(I2C)對FM24C512進(jìn)行操作，簡單方便，滿足系統(tǒng)要求。正是由于以上原因，系統(tǒng)設(shè)計舍棄了單片機(jī)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(tǒng)的控制過程是一個閉環(huán)控制，信號傳輸過程如圖2中所示，MCU通過花型數(shù)據(jù)來驅(qū)動提花機(jī)的賈卡動作，同時提花機(jī)將賈卡的當(dāng)前狀態(tài)反饋給MCU，MCU根據(jù)實時的賈卡狀態(tài)修正或準(zhǔn)備新的花型數(shù)據(jù)并驅(qū)動賈卡動作，從而形成回路控制。
控制系統(tǒng)一次性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，每臺賈卡經(jīng)編機(jī)上一般有幾千把導(dǎo)紗針同時動作，單片機(jī)控制導(dǎo)紗針的每一個動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(jī)端口數(shù)限制必定行不通。使用串行轉(zhuǎn)并行輸出則可以很好地解決問題，所以系統(tǒng)采取的是單片機(jī)串行輸出花型數(shù)據(jù)到賈卡的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)執(zhí)行動作的方式。雖然串行比并行傳輸?shù)乃俣嚷?，但根?jù)實際需要在規(guī)定的時間內(nèi)傳輸完幾千位的數(shù)據(jù)還是可以做到的。因此，信號傳輸過程對速度和抗干擾能力的要求較高，同時系統(tǒng)中賈卡驅(qū)動電路設(shè)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(shù)據(jù)信號進(jìn)行光電隔離，經(jīng)隔離后的信號通過信號長線驅(qū)動器MC3487轉(zhuǎn)換成RS 422信號，將TTL邏輯電平變?yōu)殡娢恍盘杹韺崿F(xiàn)信息傳送。同理，MCU接收的反饋賈卡狀態(tài)信號也需要經(jīng)過長線驅(qū)動器MC3487和長線驅(qū)動接收器MC3486的處理后經(jīng)過光隔進(jìn)入單片機(jī)。這樣的設(shè)計不僅可以增加系統(tǒng)的抗干擾能力，同時可以支持較高的傳輸速率和較長的傳輸距離。
1．3．5 光電隔離
為滿足系統(tǒng)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(nèi)部有一個850 nm波長A1GaAsLED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個肖特基箝位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)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(qū)動
本設(shè)計采用硅結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。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存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。輸出寄存器可以直接清除，具有1OO MHz的移位頻率，并行輸出，總線驅(qū)動。數(shù)據(jù)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(qū)動。串行移位輸出電路原理如圖3所示。 本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/173571.htm
根據(jù)賈卡導(dǎo)紗針的工作原理，驅(qū)動電路要根據(jù)花型數(shù)據(jù)給壓電陶瓷加正或負(fù)60 V直流電。驅(qū)動電路如圖4所示，主要由74HC541為八緩沖器／驅(qū)動器、2個2N5551型三極管、2個2N5401等組成。
壓電陶瓷驅(qū)動電路的工作原理為：由控制系統(tǒng)輸出的脈沖信號DIN，一路輸入到第一組由QA1和QA3組成的正電源開關(guān)電路，另外一路經(jīng)過74HC541緩沖輸入到第二組由QA2和QA4組成的負(fù)電源開關(guān)電路，這兩組開關(guān)電路由DIN統(tǒng)一控制。當(dāng)DIN為高時，第一組開關(guān)電路導(dǎo)通，第二組關(guān)斷，正電壓+V輸出加到壓電陶瓷端(VOUT)；當(dāng)DIN為低時，第二組開關(guān)電路導(dǎo)通，第一組關(guān)斷，負(fù)電壓-V輸出加到電陶瓷端(VOUT)。這樣通過系統(tǒng)輸出的脈沖信號不斷變化即能控制壓電陶瓷導(dǎo)紗針的左右擺動，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實現(xiàn)提花選針。
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