嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機(jī)上的應(yīng)用

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶對(duì)于縫紉機(jī)的工作要求不一樣，為了方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了SD接口電路。用戶開發(fā)出的控制伺服電機(jī)的運(yùn)行軌跡的應(yīng)用程序通過SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA。這樣的設(shè)計(jì)使得控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)具有良好的通用性、靈活性和擴(kuò)展性。

1.5 ARM控制器的存儲(chǔ)器單元

本系統(tǒng)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(chǔ)器，8位容量為64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。WINCE操作系統(tǒng)存貯在NAND Flash中，系統(tǒng)啟動(dòng)后固化在S3C2440內(nèi)部4KFLASH中的啟動(dòng)代碼將操作系統(tǒng)在拷貝到DRAM中運(yùn)行。

1.6 FPGA存儲(chǔ)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序在此運(yùn)行。另外提供了一片容量為512 KB的16位CMOS型SRAM芯片IS62WV51216BLL，此空間用來存放用戶開發(fā)的應(yīng)用程序，如圖4所示。其中MAX6367PKA29低功耗電源監(jiān)控電路，帶有備用電池及晶片啟動(dòng)澆注。其復(fù)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(hào)端相連，當(dāng)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(dāng)此電源監(jiān)控芯片檢測(cè)到供電電壓高于復(fù)位門檻電壓2.93 V時(shí)，也就是系統(tǒng)未掉電時(shí)，采用系統(tǒng)電源供電，同時(shí)對(duì)0.1 F大電容C48充電，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)掉電時(shí)采用備用紐扣電池供電，當(dāng)紐扣電池電量耗盡更換電池時(shí)采用C48電容對(duì)該芯片供電，采用這些措施充分保證了用戶應(yīng)用程序掉電不消失。

1.7 FPGA與伺服驅(qū)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(gòu)成的以太網(wǎng)接口電路，采用FFC連接器，利用雙絞線與伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，通信效果良好。

1.8 伺服驅(qū)動(dòng)單元

伺服驅(qū)動(dòng)單元是電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)部分，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)及過壓、欠壓、過載等保護(hù)功能。本系統(tǒng)中用一個(gè)交流伺服電機(jī)作為主軸電機(jī)，4個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)分別作為x軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)、剪線壓腳步進(jìn)電機(jī)和抓線步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的三相電源控制信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離，分別控制電機(jī)驅(qū)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(dǎo)通或截止，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出可調(diào)頻率的交流電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速。限于篇幅，在此不列出詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)原理圖。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為3部分，分別是基于ARM的程序設(shè)計(jì)、基于FPGA的程序設(shè)計(jì)以及基于具體應(yīng)用的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用的WINCE操作系統(tǒng)是微軟公司推出的開源嵌入式操作系統(tǒng)，資源豐富，集成了以太網(wǎng)、SD卡等常用的驅(qū)動(dòng)，給出了液晶屏驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)模塊，只需要根據(jù)實(shí)際使用的液晶屏參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改即可，極大的縮短了開發(fā)周期。

ARM控制芯片的程序流程圖見圖5中(a)圖所示，系統(tǒng)上電后NAND FLASH的前4K代碼會(huì)自動(dòng)拷貝到S3C2440內(nèi)部自帶的SRAM中運(yùn)行，這部分程序是系統(tǒng)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(tǒng)鏡像拷貝到DRAM中運(yùn)行，如果應(yīng)用程序有變更或更新，則通過總線將SD卡中的應(yīng)用程序拷貝到為FPGA配置的SRAM中。如果通過液晶屏或者按鍵輸入要執(zhí)行的任務(wù)，則給FPGA傳送控制指令，F(xiàn)PGA調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序控制電機(jī)執(zhí)行操作。FPGA運(yùn)動(dòng)控制芯片的程序流程圖見圖5中(b)圖所示，系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行硬件初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，如果自檢發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤則進(jìn)行報(bào)警處理，否則系統(tǒng)進(jìn)入到控制狀態(tài)，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否接收到來自ARM的控制指令，如果有，則調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)控制程序并執(zhí)行。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)為用戶根據(jù)具體的應(yīng)用開發(fā)，本文不做介紹。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

通過實(shí)際調(diào)試，在設(shè)計(jì)中有以下幾方面應(yīng)予以重視。

1)由于系統(tǒng)的+5 V輸入電源是由伺服驅(qū)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(hào)為GSMA321611-U0031的磁珠進(jìn)行濾波處理。

2)在設(shè)計(jì)PCB(Printed Circuit Board)時(shí)，模擬地和數(shù)字地應(yīng)該分開布局，分別布線。SD卡、液晶屏的金屬外殼應(yīng)該做接地處理，為機(jī)殼地，應(yīng)該單獨(dú)走線。最后用型號(hào)為GSMA321611—U0031的磁珠將數(shù)字地、模擬地、機(jī)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(hào)，在PCB布線時(shí)盡量走等長(zhǎng)線，用帶屏蔽的雙絞線與伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通信。

4)TPS75003是一款開關(guān)電源芯片，建議嚴(yán)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(wěn)定而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

5)由于該控制系統(tǒng)的PCB為六層板，建議在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，對(duì)于電源部分的設(shè)計(jì)采用內(nèi)層分割和填充技術(shù)，去掉內(nèi)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(tǒng)建議采用Wince，其BSP自帶USB、SD、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需改動(dòng)。液晶屏也給出了標(biāo)準(zhǔn)模板，提供了API函數(shù)，只需根據(jù)實(shí)際硬件設(shè)計(jì)情況修改相關(guān)寄存器即可，如此會(huì)大大降低開發(fā)難度和縮短開發(fā)時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣泛，基于各種嵌入式平臺(tái)的機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)到來，并成為最具開放性的控制體系結(jié)構(gòu)。將這種新型的控制體系應(yīng)用于特種工業(yè)縫紉機(jī)領(lǐng)域，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。