基于嵌入式技术的高速特种工业缝纫机电控系统设计详解

在嵌入式技术在各个领域的应用日益普及和深入的情况下，将其应用到特种工业缝纫机的智能化、自动化的控制上势在必行。至2007年以来，德国杜克普（DRKOOP）、日本重机（JUKI）、日本兄弟（BROTHER）等知名的国外缝纫机企业都相继推出了多款特种工业缝纫机电控系统，大大提高了工作效率，深受市场欢迎，但是其价格动辄二十多万，国内的一般中小型企业很难承受。

相对于这些知名的外国企业，国内的一些知名缝纫机企业如新杰克缝纫机、中捷（ZOJE）缝纫机基本上还是在采取自己生产机械部分，采购国外的一些控制器，然后组装出售。为此开发出一款可靠性较高，价格低廉的高速特种工业缝纫机电控系统将会有良好的市场前景。

1 系统的设计

本系统设计的工业缝纫机由3部分组成，操作面板单元（人机交互单元）、伺服驱动单元以及缝纫机机械单元，其中机械单元由专业缝纫机公司生产，笔者不加以讨论。本文设计完成的是整体电控缝纫机的控制部分的技术方案，是完成电控特种缝纫机的最关键部分，经设计开发后以操作面板（人机交互单元）的形式出现在产品中，伺服驱动单元控制箱与之用RMII以太网方式的差分信号通信的形式通过电缆线相连。

整个系统的硬件框架图如图1所示。本系统采用的ARM（Advanced RISC Machines）芯片是内核为ARM920T的S3C2440，价格便宜，抗干扰能力强，能够在1.3 V电压下以极低的功耗工作在高达400 MHz的主频下，易于系统的移植和功能扩展，在做界面显示的时候有独特的优势，但是在电机控制方面也存在相应的短板问题，因此该系统是基于ARM和FPGA（Field Programmable Gate Array）架构的控制系统，其中ARM控制器作为主CPU负责数控系统各个任务的管理调度， 给用户提供操作方便、简单的人机交互界面。作为从处理器，EP2C35-F484的数据线和读/写信号直接受S3C2440芯片相应的数据线和读/写信号控制。EP2C35-F484是一种功能比较强大的专业级运动控制芯片，能够实现对四轴控制，可以对任意两轴进行直线和圆弧插补。在本系统中主要作用是实现伺服电机的实时运动控制，主CPU ARM通过总线向其发送控制指令实现各种复杂的运动。

1.1 电源模块

本系统选用的微控制器要使用多组电源，具体电路如图2所示。由于FPGA内部逻辑阵列工作电压为1.2 V，为减少电源设计难度，让ARM内核也工作在1.2 V的电压下，此时ARM芯片工作主频为300 MHz，由于ARM I/O口工作电压为3.3 V，因此FPGA的BANK1至BANK8 I/O供电电压也设计成33 V。FPGA锁相环丁作电压为1.2 V。ARM内核工作电压设计要非常精准，因为1.2 V工作电压下芯片工作的主频是300MHz，1.3 V工作电压下芯片的工作主频为400 MHz，如果电压不稳，极有可能出现程序“跑飞”致使系统工作不稳定，因此设计了两路1.2 V的电压，一路网络标号为+1.2 V，另一路网络标号为PLL_VCC，分别给ARM和FPGA供电，这样就有效的防止了因为干扰导致电源不稳定的现象。

电源芯片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电路。这种新的三路器件的效率高达95%，大大地降低了对用在消费类电子产品，通信和数字视频产品中的完整FPGA系统供电所需的外接元件数量。TPS75003有两个95%效率的3 A降压控制器和一个300 mA LDO（low dropout regulator）调整器，所有通道可调整输出电压，从1.20 V到6.5 V，输入电压范围从2.2 V到6.5 V，其输入电压VDD5V由伺服驱动单元提供。所有三种电源有单独的软起动，用小型陶瓷输出电容能使LDO稳定，每种电源有单独的使能，以便灵活加电次序。TPS75003由于效率极高，所以相比于线性LDO芯片来说其发热量很小，并且由于其极为小巧，尺寸20引脚QFN封装（4.5*3.5*0.9 mm），这样大大节约了硬件空间。

1.2 复位电路

由于ARM芯片的高速，低功耗，低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波，瞬态响应性能，时钟源的稳定性，电源监控的可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本系统在设计的时候，在复位电路中采用的是带IIc（Inter—Integrated Circuit）存储器的电源控制芯片CAT1025JI-30（复位门槛电压为3.30～3.15 V），这样可提高系统的可靠性。信号/RESET连接到S3C2440芯片的复位脚nRESET，当复位按键按下时，CAT1025JI-30的/RESET引脚立即输出复位信号。使S3C2440芯片复位。

1.3 LCD模块

S3C2440有专用的LCD（Liquid Crystal Display）控制器，内部集成LCD控制电路，可以支持单色、4级灰度或者16级灰度屏，并且它可以与256色和4096色的彩色STN LCD连接，这使得液晶屏和ARM的硬件连接十分简单，极大简化了设计电路。为了适应用户对成本的考虑和在不同应用场合情况下需求的不同，本课题组设计了两款液晶屏接口电路，分别是争对于SHARP公司的3.5Inch Color TFT-LCD LQ035Q1DG02和AUO公司的5.7 Inch Color TFT-LCD G057VN01，前者配上键盘进行人机交互，而后者则使用触摸方式进行人机交互。

背光电源如图3所示。CAT4240芯片是一款DC/DC步进转换器，能够提供1个适合于驱动LED（Liquid Crystal Display）的精确固定电流。工作于1 MHz的同定转换频率，允许该器件能够使用小值的外部陶瓷电容和电感。LED以串联方式连接，通过外部电阻设置的稳定电流来驱动。CAT4240高电压输出级非常适用于包括多达10个串联LED的中型和大型面板的显示。当系统采用3.5 Inch液晶屏时只需将R34焊接上而R33不焊接，当采用5.7 Inch液晶屏时则只需将R33焊接上而R34不焊接。这样可以将两款晶接口电路设计在同一个板卡上，使得本系统兼容两款液晶屏，极大的方便了用户的选择。

1.4 SD CARD接口电路

不同用户对于缝纫机的工作要求不一样，为了方便用户进行二次开发，设计了SD接口电路。用户开发出的控制伺服电机的运行轨迹的应用程序通过SD卡被ARM芯片读取后传送给FPGA。这样的设计使得控制系统的软硬件平台具有良好的通用性、灵活性和扩展性。

1.5 ARM控制器的存储器单元

本系统为ARM控制器配置了由2片16位的容量为128Mb的DRAM HY57V281620CT—H组成的32位存储器，8位容量为64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。WINCE操作系统存贮在NAND Flash中，系统启动后固化在S3C2440内部4KFLASH中的启动代码将操作系统在拷贝到DRAM中运行。

1.6 FPGA存储器单元

FPGA配置了容量为256Mb的16位高速DDR（Double Data Rate）型SRAM（Static RAM）MT46V16M16TG，伺服电机驱动控制程序在此运行。另外提供了一片容量为512 KB的16位CMOS型SRAM芯片IS62WV51216BLL，此空间用来存放用户开发的应用程序，如图4所示。其中MAX6367PKA29低功耗电源监控电路，带有备用电池及晶片启动浇注。其复位引脚和输入使能控制引脚由FPGA I/O口控制。输出使能端与SRAM片选使能信号端相连，当输入使能有效时输出使能引脚产生低电平从而使能SRAM。当此电源监控芯片检测到供电电压高于复位门槛电压2.93 V时，也就是系统未掉电时，采用系统电源供电，同时对0.1 F大电容C48充电，当检测到系统掉电时采用备用纽扣电池供电，当纽扣电池电量耗尽更换电池时采用C48电容对该芯片供电，采用这些措施充分保证了用户应用程序掉电不消失。

1.7 FPGA与伺服驱动模块通信接口

由FPGA和以太网物理收发器芯片DM9161A、以太网变压器-滤波器芯片HS9016构成的以太网接口电路，采用FFC连接器，利用双绞线与伺服驱动模块进行通信。实验证明数据传输稳定，通信效果良好。

1.8 伺服驱动单元

伺服驱动单元是电机的功率驱动部分，是驱动电机运转的关键，该部份包括整流、逆变、前置驱动、电流检测及过压、欠压、过载等保护功能。本系统中用一个交流伺服电机作为主轴电机，4个直流步进电机分别作为x轴步进电机、Y轴步进电机、剪线压脚步进电机和抓线步进电机。电机的三相电源控制信号经光电耦合器隔离，分别控制电机驱动智能模块IPM的U、V、W三相输入端，控制IPM的输出功率晶体管导通或截止，得到驱动电机的输出可调频率的交流电压，从而控制电机的转动、运动方向及转速。限于篇幅，在此不列出详细的硬件设计原理图。

2 系统软件设计

本系统的软件设计分为3部分，分别是基于ARM的程序设计、基于FPGA的程序设计以及基于具体应用的应用程序设计。本系统采用的WINCE操作系统是微软公司推出的开源嵌入式操作系统，资源丰富，集成了以太网、SD卡等常用的驱动，给出了液晶屏驱动程序的标准模块，只需要根据实际使用的液晶屏参数进行相应修改即可，极大的缩短了开发周期。

ARM控制芯片的程序流程图见图5中（a）图所示，系统上电后NAND FLASH的前4K代码会自动拷贝到S3C2440内部自带的SRAM中运行，这部分程序是系统的启动代码，首先进行初始化，包括时钟、工作频率、液晶屏等硬件的初始化，之后会将操作系统镜像拷贝到DRAM中运行，如果应用程序有变更或更新，则通过总线将SD卡中的应用程序拷贝到为FPGA配置的SRAM中。如果通过液晶屏或者按键输入要执行的任务，则给FPGA传送控制指令，FPGA调用相应的应用程序控制电机执行操作。FPGA运动控制芯片的程序流程图见图5中（b）图所示，系统上电后首先进行硬件初始化，然后进行系统自检，如果自检发现有错误则进行报警处理，否则系统进入到控制状态，要实时监测是否接收到来自ARM的控制指令，如果有，则调用相应的电机控制程序并执行。应用程序的设计为用户根据具体的应用开发，本文不做介绍。

3 设计注意事项

通过实际调试，在设计中有以下几方面应予以重视。

1）由于系统的+5 V输入电源是由伺服驱动模块提供，为了避免干扰，建议用一个103的瓷片电容、一个100μF的电解电容以及一个型号为GSMA321611-U0031的磁珠进行滤波处理。

2）在设计PCB（Printed Circuit Board）时，模拟地和数字地应该分开布局，分别布线。SD卡、液晶屏的金属外壳应该做接地处理，为机壳地，应该单独走线。最后用型号为GSMA321611—U0031的磁珠将数字地、模拟地、机壳地进行共地处理。

3）由于变压器一滤波器芯片HS9016输出为差分信号，在PCB布线时尽量走等长线，用带屏蔽的双绞线与伺服驱动模块进行通信。

4）TPS75003是一款开关电源芯片，建议严格按照其给出的参考布局进行PCB布局，否则极有可能造成电源输出不稳定而导致整个系统瘫痪。

5）由于该控制系统的PCB为六层板，建议在设计PCB时，对于电源部分的设计采用内层分割和填充技术，去掉内层，局部制作成两层板，这样可以有效防止电源与其他电路相互干扰。

6）操作系统建议采用Wince，其BSP自带USB、SD、以太网驱动，设计时无需改动。液晶屏也给出了标准模板，提供了API函数，只需根据实际硬件设计情况修改相关寄存器即可，如此会大大降低开发难度和缩短开发时间。

4 结束语

随着集成电路、计算机技术、嵌入式技术在生产、生活中的应用越来越广泛，基于各种嵌入式平台的机电一体化技术已经到来，并成为最具开放性的控制体系结构。将这种新型的控制体系应用于特种工业缝纫机领域，社会效益和经济效益良好。

本系统的设计有如下优点：1）相对于国外的控制系统价格低廉，有较好的市场前景;2）基于ARM和FPGA架构的系统在通用性和可扩展性方面得到充分保证;3）系统兼容两款液晶屏，用户可以在同一个硬件平台上很方便的根据自己需求更换液晶屏;4）方便用户进行二次开发;5）安全低功耗的电源设计，保证系统的正常运行;6）控制系统集成在人机交互单元中，界面友好，操作方便，让弱电系统跟伺服电机驱动的强电系统分离，有效消除系统干扰。