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嵌入式技术在特种工业缝纫机上的应用

时间:09-12 来源:互联网 点击:

摘要:为解决国外工业缝纫机控制系统价格昂贵,国内用户难以接受的现实问题,通过基于ARM和FPGA的嵌入式技术,完成了一款特种工业缝纫机的控制部分的技术方案,提出相关硬件模块的设计和设计过程中应该注意的问题、软硬件平台具有良好的通用性、灵活性和扩展性。方案的实现具有良好的社会效益和经济效益。

关键词:工业缝纫机;ARM;FPGA;嵌入式技术;硬件设计

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

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