基于FPGA+DSP的喷气织机新型引纬控制系统的设计

3.2.2 并行通信接口模块
在FPGA的并行通信接口模块中，当DSP写数据到 FPGA中时，FPGA在DSP的WE信号的上升沿锁存数据总线上的数据；当DSP读取FPGA中数据时，FPGA在DSP的RD信号的下降沿把数据传输到数据总线，保证了DSP可以可靠地写入或读取FPGA的数据。
3.2.3 引纬信号产生模块
喷气织机的引纬系统主要工作在运行、慢引纬和阀试验三种状态。
慢引纬状态是喷气织机在慢速运转时的单根引纬状态；阀试验状态是为了检测电磁阀和引纬电路的好坏而设置的状态；运行状态是喷气织机正常工作时的状态。在运行状态，FPGA控制引纬电磁阀按照预先设定的引纬角度依次打开和关闭，形成气流引导纬纱的运动。引纬效果的好坏直接关系到喷气织机的整机性能，也直接决定着布面的质量和开车效率。现以运行状态为例介绍引纬信号的产生过程。
引纬信号由比较单元比较织机角度和设定打开角度、设定关闭角度而产生，引纬信号产生框图如图4所示。当引纬信号没有跨越零度时，即设定关闭角度大于设定打开角度时，引纬信号在织机角度大于设定打开角度且小于设定关闭角度时有效；反之，当引纬信号跨越零度时，即设定关闭角度小于设定打开角度时，引纬信号在织机角度大于设定打开角度或小于设定关闭角度时有效。

喷气织机引纬信号多达几十路（根据花色和幅宽的不同而不同），并且引纬信号对控制精度和控制的一致性要求非常高，一般引纬信号的控制误差要求不超过1°，在织机速度为1 200 r/min的情况下，织机角度1°对应为130 ms左右[4]。
市场上现有的喷气织机都是由DSP、单片机等处理器产生的。由于处理器的程序是顺序执行的，如果控制误差不超过1°，就必须在织机旋转1°的时间内计算完成几十路的引纬信号。也就是说在130 ms内完成主程序的一个循环，这种速度对于一般的处理器是很难实现的，特别是在主程序还要完成数据的读取、角度的计算、通信等功能的情况下，对于更高速的织机更是无法实现。因此市场上现有的喷气织机速度一般都不会超过1 000 r/min，引纬性能也受限于控制的精度、速度和一致性[5]。
FPGA本质上是由硬件组成的，其编程语言也为VHDL等硬件描述语言，它的程序并行执行，也就是说一旦主机角度或设定的打开关闭角度有变化，几十路的引纬信号就会立即同时输出，误差仅为信号的建立时间，只有几纳秒。因此FPGA产生的引纬信号可以很好地满足喷气织机对引纬控制精度和控制一致性的要求，从根本上改变处理器产生引纬信号的弊端。引纬信号仿真图如图5所示：设定打开角度为80°，设定关闭角度为96°，引纬信号在这个区间内有效。由图5可以看出，引纬信号的产生和关闭几乎没有任何延时。

3.2.4 多路选择模块
由于纺织工艺的要求，不同花色的引纬参数和引纬系统的不同状态需要不同的引纬控制信号控制电磁阀，在FPGA中可以采用多路选择器的方式来选择需要的引纬信号，并且由于是硬件选择，基本上不会产生任何误差和延时。
3.2.5 高低压驱动信号产生模块
为了保证引纬的可靠稳定，电磁阀一般采用双电压供电方式，即48 V电压打开电磁阀，9 V的电压保持电磁阀的打开状态。根据高速电磁阀性能的要求，控制48 V电压的信号要求为精确的8 ms，时间太短，电磁阀不能可靠打开，时间太长电磁阀容易发热损坏。
在FPGA中虽然没有单稳态电路，但是可以采用时钟计数的方式来模拟单稳态的产生：在信号的上升沿开始计数并设置单稳态信号有效，计满8 ms的时钟脉冲个数后停止计数并设置单稳态信号无效，这样就可以输出精确的8 ms单稳态信号。例如，假设采用8 k的计数时钟频率，64个计数时钟周期就是8 ms，单稳态信号的误差不会超过0.125 ms，高低压驱动信号仿真图如图6所示，其中signal_8ms为8 ms单稳态驱动信号，signal_hold为低压驱动信号。

在这种方式中，计数时钟频率越高，误差就越小，大大提高了单稳态信号控制精度和一致性，完全可以满足引纬电磁阀的要求。高低压驱动信号完全在FPGA中实现，不需要任何附加的硬件电路，不受温度和电阻电容精度的影响，保证了引纬的可靠性、稳定性和控制的一致性，同时也简化电路，减少了硬件故障，降低了成本。
本文提出的引纬控制系统采用FPGA产生引纬信号，达到了处理器控制中无法实现的控制速度和控制精度，具有精度高、一致性好、误差小、稳定性好、电路简单可靠等优点。同时利用DSP与上位机及DSP与FPGA之间的通信，可以实时调整引纬参数，实现控制的灵活性。实践和应用情况说明，本引纬控制系统完全克服了高速喷气织机在引纬控制精度方面的障碍，对高速织机的发展具有重要的意义。