基于ARM與FPGA技術(shù)的高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)

金永敏

摘要

以劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)為控制對象，在分析平布或起毛類織物的織造原理與紡織機(jī)械部件運(yùn)動時(shí)序的基礎(chǔ)上，開展劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以32位嵌入式處理器STM32F407芯片為基礎(chǔ)并結(jié)合FPGA技術(shù)，研制一套高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】毛巾劍桿織機(jī) STM32F407 FPGA 運(yùn)動控制

劍桿織機(jī)以其靈活多變，適應(yīng)性廣，技術(shù)發(fā)展成熟，而深受布匹與毛巾生產(chǎn)企業(yè)的青睞，而高速劍桿織機(jī)也成為織機(jī)的發(fā)展方向之一。因此，在升級紡機(jī)機(jī)械部件的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)，逐漸成為國內(nèi)中小型劍桿織機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。在此背景下，項(xiàng)目組提出了高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)研究項(xiàng)目，以合作單位提供的劍桿織機(jī)樣機(jī)為控制對象，在分析平布或起毛類織物的織造原理與紡織機(jī)械部件運(yùn)動時(shí)序的基礎(chǔ)上，開展劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以32位嵌入式處理器STM32F407芯片為基礎(chǔ)并結(jié)合FPGA技術(shù)，研制了一套高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)方案，并制作樣機(jī)。

1 高速劍桿織機(jī)設(shè)計(jì)方案

高速織機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)主要是在研究平布或起毛類織物的織造原理與紡織機(jī)械部件運(yùn)動時(shí)序的基礎(chǔ)上，提出符合工程樣機(jī)控制要求的織機(jī)整體運(yùn)動控制方案與控制系統(tǒng)詳細(xì)實(shí)施方案。同時(shí)，完成劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊劃分與功能模塊控制信息邏輯關(guān)系分析?？刂品桨笇⒉捎肁RM+FPGA的雙核架構(gòu)。FPGA芯片負(fù)責(zé)伺服電機(jī)運(yùn)動控制、電子多臂控制信號與選緯控制信號的輸出以及外部控制信息的輸入。ARM芯片負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、經(jīng)紗張力控制、布匹織造工藝流程控制、主軸角度檢測、各類報(bào)警信息檢測等。FPGA芯片與ARM芯片采用SPI總線通信。

2 高速劍桿織機(jī)硬件設(shè)計(jì)

高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路將采用32位ARM芯片STM32F407為主控CPU，以FPGA芯片EP4CE6E22為協(xié)處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。研制的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路將包含：電源模塊、STM32F407最小系統(tǒng)、EP4CE6E22最小系統(tǒng)、伺服電機(jī)運(yùn)動控制模塊、經(jīng)紗張力檢測與控制模塊、外部控制信號輸入模塊、控制信號輸出模塊、人機(jī)界面模塊、USB文件系統(tǒng)模塊等。外部控制信號輸入模塊、控制信號輸出模塊采用光耦隔離，防止干擾?？刂葡到y(tǒng)主要的硬件模塊如下所述：

2.1 STM32F407與EP4CE6E22通信硬件電路

STM32F407與FPGA的接口方式有很多種，可以是串行的，也可以是并行的，考慮到FPGA在多路并行數(shù)據(jù)處理方面有明顯優(yōu)勢，設(shè)計(jì)采用STM32F407的并行總線接口（FSMC）與FPGA的連接。FSMC是STM32系列采用的一種新型的存儲器擴(kuò)展技術(shù)，支持不同的外部存儲器類型，其中就包括多種類型的靜態(tài)存儲器，因此，可將FPGA當(dāng)成STM32F407的外部SRAM來配置，通過擴(kuò)展出的數(shù)據(jù)/地址/控制三總線來實(shí)現(xiàn)操作，這樣既能保證較快的操作速度，又具有很高的靈活性。

2.2 伺服電機(jī)控制器驅(qū)動電路

伺服電機(jī)控制器驅(qū)動電路主要功能為：FPGA芯片通過驅(qū)動電路與伺服驅(qū)動器的配合控制伺服電機(jī)的運(yùn)行。該模塊電路由：電機(jī)驅(qū)動脈沖信號、電機(jī)運(yùn)行方向信號、電機(jī)使能信號、電機(jī)報(bào)警信號返回、伺服定位完成信號返回等組成。其中：電機(jī)驅(qū)動脈沖信號經(jīng)過高速光耦6N137隔離后輸入給AM26LS31芯片產(chǎn)生相應(yīng)的差分信號給伺服驅(qū)動器，從而控制電機(jī)的運(yùn)行。其他幾個控制信號與返回信號都通過普通光耦隔離。

3 高速劍桿織機(jī)軟件設(shè)計(jì)

高速劍桿織機(jī)控制軟件主要包括：STM32F407的軟件與FPGA的軟件兩大部分。具體如下所述。

3.1 STM32F407的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的軟件將以實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-‖與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺進(jìn)行開發(fā)。包含：

（1）嵌入式系統(tǒng)成μOS-‖與FAT32文件管理系統(tǒng)在STM32F407芯片上的移植工作與相關(guān)硬件模塊的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，如USB、7寸TFT液晶觸摸顯示屏等模塊的驅(qū)動程序。

（2）劍桿織機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制與工作狀態(tài)監(jiān)測功能模塊設(shè)計(jì)，這部分工作是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其主要功能為控制與協(xié)調(diào)劍桿織機(jī)的各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)，完成布料的織造流程，并對織機(jī)各部件的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確?？椩爝^程的安全性。該軟件功能模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是需要與布匹織造工藝相結(jié)合，根據(jù)劍桿織機(jī)控制信息點(diǎn)、織機(jī)動作時(shí)序，控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)等信息編寫正確的控制邏輯關(guān)系，并在軟硬件聯(lián)合調(diào)試階段進(jìn)行驗(yàn)證與修改。

（3）人機(jī)界面與控制參數(shù)輸入模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，以EMWIN為GUI的開發(fā)平臺，可設(shè)置與查閱織機(jī)各類控制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息以及閱讀織物工藝數(shù)據(jù)文件。

特別是能通過軟件自由設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈返回的脈沖數(shù)、電子齒輪比與刺毛管周長系數(shù)，使研制開發(fā)的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)能應(yīng)用于更多機(jī)型。

3.2 FPGA的軟件設(shè)計(jì)

劍桿毛巾織機(jī)控制軟件的FPGA部分主要功能是實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的位置與外部開關(guān)量輸入輸出控制。其中開關(guān)量輸入輸出控制比較簡單，伺服電機(jī)的位置控制程序由硬件描述語言設(shè)計(jì)完成。

4 結(jié)論

本為所設(shè)計(jì)的高速劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)將在合作企業(yè)生產(chǎn)銷售，項(xiàng)目的合作單位作為專業(yè)織機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)家，已經(jīng)具備了成熟的銷售渠道，有利于研究成果的市場推廣。綜上所述，本文的研究成果具有廣泛的產(chǎn)業(yè)化前景，能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]章玉銘.毛巾劍桿織機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]代金友.劍桿織機(jī)的發(fā)展趨勢與品種適應(yīng)性[J].科技信息，2012（14）.

[3]陳明.新型劍桿織機(jī)的工作原理及設(shè)備性能分析[A].2009中國國際纖維紗線科技發(fā)展高層論壇暨第29屆全國毛紡年會論文集[C].2009.

[4]朱海民，張森林.基于uC/OS和ARM的經(jīng)紗張力嵌入式智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)陰[J].機(jī)電工程，2006（04）.

[5]Goktepe，Bozkan.Study on reductionof air consumpfion on air-jetweaving machines [J].Textile ResearchJournal，2008（09）.

[6]馮岑.劍桿織機(jī)控制電路的數(shù)字化設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)，2009.