嵌入式技術在特種工業(yè)縫紉機上的應用

摘要：為解決國外工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)價格昂貴，國內用戶難以接受的現(xiàn)實問題，通過基于ARM和FPGA的嵌入式技術，完成了一款特種工業(yè)縫紉機的控制部分的技術方案，提出相關硬件模塊的設計和設計過程中應該注意的問題、軟硬件平臺具有良好的通用性、靈活性和擴展性。方案的實現(xiàn)具有良好的社會效益和經濟效益。

關鍵詞：工業(yè)縫紉機;ARM;FPGA;嵌入式技術;硬件設計

在嵌入式技術在各個領域的應用日益普及和深入的情況下，將其應用到特種工業(yè)縫紉機的智能化、自動化的控制上勢在必行。至2007年以來，德國杜克普(DRKOOP)、日本重機(JUKI)、日本兄弟(BROTHER)等知名的國外縫紉機企業(yè)都相繼推出了多款特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)，大大提高了工作效率，深受市場歡迎，但是其價格動輒二十多萬，國內的一般中小型企業(yè)很難承受。

相對于這些知名的外國企業(yè)，國內的一些知名縫紉機企業(yè)如新杰克縫紉機、中捷(ZOJE)縫紉機基本上還是在采取自己生產機械部分，采購國外的一些控制器，然后組裝出售。為此開發(fā)出一款可靠性較高，價格低廉的高速特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)將會有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)設計的工業(yè)縫紉機由3部分組成，操作面板單元(人機交互單元)、伺服驅動單元以及縫紉機機械單元，其中機械單元由專業(yè)縫紉機公司生產，筆者不加以討論。本文設計完成的是整體電控縫紉機的控制部分的技術方案，是完成電控特種縫紉機的最關鍵部分，經設計開發(fā)后以操作面板(人機交互單元)的形式出現(xiàn)在產品中，伺服驅動單元控制箱與之用RMII以太網方式的差分信號通信的形式通過電纜線相連。

整個系統(tǒng)的硬件框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用的ARM(Advanced RISC Machines)芯片是內核為ARM920T的S3C2440，價格便宜，抗干擾能力強，能夠在1.3 V電壓下以極低的功耗工作在高達400 MHz的主頻下，易于系統(tǒng)的移植和功能擴展，在做界面顯示的時候有獨特的優(yōu)勢，但是在電機控制方面也存在相應的短板問題，因此該系統(tǒng)是基于ARM和FPGA(Field Programmable Gate Array)架構的控制系統(tǒng)，其中ARM控制器作為主CPU負責數(shù)控系統(tǒng)各個任務的管理調度， 給用戶提供操作方便、簡單的人機交互界面。作為從處理器，EP2C35-F484的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接受S3C2440芯片相應的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制。EP2C35-F484是一種功能比較強大的專業(yè)級運動控制芯片，能夠實現(xiàn)對四軸控制，可以對任意兩軸進行直線和圓弧插補。在本系統(tǒng)中主要作用是實現(xiàn)伺服電機的實時運動控制，主CPU ARM通過總線向其發(fā)送控制指令實現(xiàn)各種復雜的運動。

1.1 電源模塊

本系統(tǒng)選用的微控制器要使用多組電源，具體電路如圖2所示。由于FPGA內部邏輯陣列工作電壓為1.2 V，為減少電源設計難度，讓ARM內核也工作在1.2 V的電壓下，此時ARM芯片工作主頻為300 MHz，由于ARM I/O口工作電壓為3.3 V，因此FPGA的BANK1至BANK8 I/O供電電壓也設計成33 V。FPGA鎖相環(huán)丁作電壓為1.2 V。ARM內核工作電壓設計要非常精準，因為1.2 V工作電壓下芯片工作的主頻是300MHz，1.3 V工作電壓下芯片的工作主頻為400 MHz，如果電壓不穩(wěn)，極有可能出現(xiàn)程序“跑飛”致使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，因此設計了兩路1.2 V的電壓，一路網絡標號為+1.2 V，另一路網絡標號為PLL_VCC，分別給ARM和FPGA供電，這樣就有效的防止了因為干擾導致電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

電源芯片TPS75003是TI公司推出用于Xilinx的SpartanTM—II/IIE/3系列FPGA的高效率功率管理集成電路。這種新的三路器件的效率高達95%，大大地降低了對用在消費類電子產品，通信和數(shù)字視頻產品中的完整FPGA系統(tǒng)供電所需的外接元件數(shù)量。TPS75003有兩個95%效率的3 A降壓控制器和一個300 mA LDO(low dropout regulator)調整器，所有通道可調整輸出電壓，從1.20 V到6.5 V，輸入電壓范圍從2.2 V到6.5 V，其輸入電壓VDD5V由伺服驅動單元提供。所有三種電源有單獨的軟起動，用小型陶瓷輸出電容能使LDO穩(wěn)定，每種電源有單獨的使能，以便靈活加電次序。TPS75003由于效率極高，所以相比于線性LDO芯片來說其發(fā)熱量很小，并且由于其極為小巧，尺寸20引腳QFN封裝(4.5*3.5*0.9 mm)，這樣大大節(jié)約了硬件空間。

1.2 復位電路

由于ARM芯片的高速，低功耗，低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波，瞬態(tài)響應性能，時鐘源的穩(wěn)定性，電源監(jiān)控的可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本系統(tǒng)在設計的時候，在復位電路中采用的是帶IIc(Inter—Integrated Circuit)存儲器的電源控制芯片CAT1025JI-30(復位門檻電壓為3.30～3.15 V)，這樣可提高系統(tǒng)的可靠性。信號/RESET連接到S3C2440芯片的復位腳nRESET，當復位按鍵按下時，CAT1025JI-30的/RESET引腳立即輸出復位信號。使S3C2440芯片復位。

1.3 LCD模塊

S3C2440有專用的LCD(Liquid Crystal Display)控制器，內部集成LCD控制電路，可以支持單色、4級灰度或者16級灰度屏，并且它可以與256色和4096色的彩色STN LCD連接，這使得液晶屏和ARM的硬件連接十分簡單，極大簡化了設計電路。為了適應用戶對成本的考慮和在不同應用場合情況下需求的不同，本課題組設計了兩款液晶屏接口電路，分別是爭對于SHARP公司的3.5Inch Color TFT-LCD LQ035Q1DG02和AUO公司的5.7 Inch Color TFT-LCD G057VN01，前者配上鍵盤進行人機交互，而后者則使用觸摸方式進行人機交互。

背光電源如圖3所示。CAT4240芯片是一款DC/DC步進轉換器，能夠提供1個適合于驅動LED(Liquid Crystal Display)的精確固定電流。工作于1 MHz的同定轉換頻率，允許該器件能夠使用小值的外部陶瓷電容和電感。LED以串聯(lián)方式連接，通過外部電阻設置的穩(wěn)定電流來驅動。CAT4240高電壓輸出級非常適用于包括多達10個串聯(lián)LED的中型和大型面板的顯示。當系統(tǒng)采用3.5 Inch液晶屏時只需將R34焊接上而R33不焊接，當采用5.7 Inch液晶屏時則只需將R33焊接上而R34不焊接。這樣可以將兩款晶接口電路設計在同一個板卡上，使得本系統(tǒng)兼容兩款液晶屏，極大的方便了用戶的選擇。