嵌入式技術在特種工業(yè)縫紉機上的應用

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶對于縫紉機的工作要求不一樣，為了方便用戶進行二次開發(fā)，設計了SD接口電路。用戶開發(fā)出的控制伺服電機的運行軌跡的應用程序通過SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA。這樣的設計使得控制系統(tǒng)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(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)啟動后固化在S3C2440內部4KFLASH中的啟動代碼將操作系統(tǒng)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，此空間用來存放用戶開發(fā)的應用程序，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，當輸入使能有效時輸出使能引腳產生低電平從而使能SRAM。當此電源監(jiān)控芯片檢測到供電電壓高于復位門檻電壓2.93 V時，也就是系統(tǒng)未掉電時，采用系統(tǒng)電源供電，同時對0.1 F大電容C48充電，當檢測到系統(tǒng)掉電時采用備用紐扣電池供電，當紐扣電池電量耗盡更換電池時采用C48電容對該芯片供電，采用這些措施充分保證了用戶應用程序掉電不消失。

1.7 FPGA與伺服驅動模塊通信接口

由FPGA和以太網物理收發(fā)器芯片DM9161A、以太網變壓器-濾波器芯片HS9016構成的以太網接口電路，采用FFC連接器，利用雙絞線與伺服驅動模塊進行通信。實驗證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，通信效果良好。

1.8 伺服驅動單元

伺服驅動單元是電機的功率驅動部分，是驅動電機運轉的關鍵，該部份包括整流、逆變、前置驅動、電流檢測及過壓、欠壓、過載等保護功能。本系統(tǒng)中用一個交流伺服電機作為主軸電機，4個直流步進電機分別作為x軸步進電機、Y軸步進電機、剪線壓腳步進電機和抓線步進電機。電機的三相電源控制信號經光電耦合器隔離，分別控制電機驅動智能模塊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，得到驅動電機的輸出可調頻率的交流電壓，從而控制電機的轉動、運動方向及轉速。限于篇幅，在此不列出詳細的硬件設計原理圖。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計分為3部分，分別是基于ARM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(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、SD卡等常用的驅動，給出了液晶屏驅動程序的標準模塊，只需要根據(jù)實際使用的液晶屏參數(shù)進行相應修改即可，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代碼會自動拷貝到S3C2440內部自帶的SRAM中運行，這部分程序是系統(tǒng)的啟動代碼，首先進行初始化，包括時鐘、工作頻率、液晶屏等硬件的初始化，之后會將操作系統(tǒng)鏡像拷貝到DRAM中運行，如果應用程序有變更或更新，則通過總線將SD卡中的應用程序拷貝到為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，則給FPGA傳送控制指令，F(xiàn)PGA調用相應的應用程序控制電機執(zhí)行操作。FPGA運動控制芯片的程序流程圖見圖5中(b)圖所示，系統(tǒng)上電后首先進行硬件初始化，然后進行系統(tǒng)自檢，如果自檢發(fā)現(xiàn)有錯誤則進行報警處理，否則系統(tǒng)進入到控制狀態(tài)，要實時監(jiān)測是否接收到來自ARM的控制指令，如果有，則調用相應的電機控制程序并執(zhí)行。應用程序的設計為用戶根據(jù)具體的應用開發(fā)，本文不做介紹。

3 設計注意事項

通過實際調試，在設計中有以下幾方面應予以重視。

1)由于系統(tǒng)的+5 V輸入電源是由伺服驅動模塊提供，為了避免干擾，建議用一個103的瓷片電容、一個100μF的電解電容以及一個型號為GSMA321611-U0031的磁珠進行濾波處理。

2)在設計PCB(Printed Circuit Board)時，模擬地和數(shù)字地應該分開布局，分別布線。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。最后用型號為GSMA321611—U0031的磁珠將數(shù)字地、模擬地、機殼地進行共地處理。

3)由于變壓器一濾波器芯片HS9016輸出為差分信號，在PCB布線時盡量走等長線，用帶屏蔽的雙絞線與伺服驅動模塊進行通信。

4)TPS75003是一款開關電源芯片，建議嚴格按照其給出的參考布局進行PCB布局，否則極有可能造成電源輸出不穩(wěn)定而導致整個系統(tǒng)癱瘓。

5)由于該控制系統(tǒng)的PCB為六層板，建議在設計PCB時，對于電源部分的設計采用內層分割和填充技術，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(tǒng)建議采用Wince，其BSP自帶USB、SD、以太網驅動，設計時無需改動。液晶屏也給出了標準模板，提供了API函數(shù)，只需根據(jù)實際硬件設計情況修改相關寄存器即可，如此會大大降低開發(fā)難度和縮短開發(fā)時間。

4 結束語

隨著集成電路、計算機技術、嵌入式技術在生產、生活中的應用越來越廣泛，基于各種嵌入式平臺的機電一體化技術已經到來，并成為最具開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)縫紉機領域，社會效益和經濟效益良好。