基于ARM和CPLD的毛巾織機主控系統設計

郝同弟，周其洪，陳 革

HAO Tong-di, ZHOU Qi-hong, CHEN Ge

（東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 2 016202）

0 引言

毛巾織機是劍桿織機的一種，相較于普通劍桿織機，毛巾織機多一個經紗軸即天經軸[1]，主要用于形成毛巾地組織表面的毛圈，因此對控制系統有更高的要求。現階段毛巾織機主要存在毛圈高度不平整、織機車速受限、經紗張力不均勻、不能織超高密毛巾織物等諸多不足。因此有待對現有的毛巾織機進行技術改革，滿足國內外市場需求[2]。針對現階段的不足以及高檔毛巾織機的發展需求，設計了以ARM處理器為核心，采用ARM和CPLD相結合的織機主控系統。

1 系統整體結構

毛巾織機的控制系統由主控系統和送經卷取系統構成，整體框架結構如圖1所示[3]。主控制器主要實現五大功能：控制主軸電機、實現人機交互、輸入信號檢測、控制各種外圍接口模塊以及與送經卷取控制器通信。主控制器通過對主軸編碼器信號、斷緯斷經信號、人機界面輸入參數等進行實時檢測，結合毛巾織造要求，對主電機、選緯控制器、電子多臂等進行控制。為實現用戶工藝參數的輸入，人機界面采用帶觸摸功能的顯示屏，是個相對獨立的嵌入式系統。

圖1 毛巾織機控制系統整體結構

2 系統硬件設計

2.1 控制器主控芯片選型

毛巾織機的整體結構復雜，有大量的被控對象，因此主控系統采用以ARM和CPLD相結合控制方式[5]。ARM為主控芯片，CPLD為協處理器。ARM選用STM32F207ZET6芯片，最高頻率120MHz，擁有強大的計算能力，具有專門用于電機控制的高級定時器、12位的A/D和較低的CPU占用率，片內資源非常豐富[6]，能夠很好的滿足毛巾織機控制系統的要求。

由于主控系統的控制對象多，采用CPLD擴展系統的I/O口，選用EPM570T144C5芯片，它有570個宏單元,144個引腳,其中有116個通用I/O口[7]。系統通過CPLD協助ARM控制選緯器、電子多臂以及各個外部信號輸入輸出模塊。通過CPLD不僅大大擴展了ARM的I/O口，而且可以對各種輸入信號進行預檢測和預處理，減輕了ARM的負荷，使得CPU能夠有更好的實時性、抗干擾性和擴展性，滿足毛巾織機系統快速響應的要求。主控系統的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 主控系統硬件結構框圖

2.2 主控制器部分外圍硬件電路

2.2.1 電源電路

主控制器需要多個供電電壓。STM32微控制器和CPLD供電電壓均為3.3V供電，485、CAN以及USB通信模塊采用5V電壓，織機輸入信號選用的PS2801-4光耦的輸入上拉電壓為24V,而輸出信號的光耦PS2801-4采用15V的上拉驅動電壓，因此系統采用24V開關電源供電。通過LM2596-5.0芯片把24V電壓轉為5V，然后采用LM1117-3.3得到3.3V電壓，選用用MC7815芯片實現電壓24V到15V的轉換。

2.2.2 電機控制電路

主控系統需要控制的電機有主軸伺服電機、尋緯電機以及絞邊步進電機，利用ARM定時器產生的PWM脈沖控制電機。采用2片雙路HCPL2530有源高速光耦芯片實現主控制器與伺服驅動器的隔離，該芯片最快速度達1MBit/s，完全滿足電機的控制要求。為提高系統抗干擾能力，采用差分信號模式控制，選用AM26LS31芯片實現此功能。同時選用74HC14觸發器來改善輸出脈沖波形質量，保證輸出脈沖的清晰、無抖動。

2.2.3 通訊電路設計

1）主控制器與上位機和液晶屏通訊

STM32F207主控制器有4路USART接口，主控系統與PC機和液晶觸摸屏通訊均采用USART通訊。液晶屏選用海泰克的5.7 寸人機界面PWS6600S-S,由于RS232工作電壓為5V，因此采用MAX3232C實現電平的轉換。

2）主控制器與其他子系統通訊

主控制器還需和送經卷曲控制器進行通訊，采用基于CANopen協議的CAN通訊方式。可以通過此通訊設置送經卷曲的各種參數，如經軸初始直徑、PID參數、緯密等。選用PCA82C250作為通信芯片，由于CAN最高速度可達1Mbps,因此選6N136高速光耦芯片來隔離干擾，該芯片支持最高速率1Mbps，電路圖如圖3所示。

2.2.4 外擴存儲電路

圖3 CAN通訊硬件電路

由于主控系統中需存儲操作系統代碼，在線測試時需用到大量的數據暫存空間以及掉電保護事需存儲保護數據，因此在系統中外擴一片64K型號為IS61LV6416的SRAM。數據線和讀寫控制線與ARM主芯片相連接。由于ARM最高工作頻率達到120MHZ，因此存儲芯片需有較快的讀寫速度，否則會影響系統的實時性。該款芯片的讀寫時間是10ns，速度完全滿足要求。在設計中，采用FSMC的NOR/PSRASM模式來讀寫存儲器。把存儲器的片選線、讀寫控制線、16位地址線、16位數據線分別于主控ARM相連。

2.2.5 掉電保護模塊

掉電保護電路主要目的是當系統掉電時為RAM提供備用電源，保證掉電后系統需要存儲的重要數據不丟失。電路原理如圖4所示，正常情況時，電源輸出3.3V電壓通過二極管D6給RAM供電。當供電電壓過低時，3.6V鋰電池通過二極管D8、D7給RAM供電，保證RAM里面數據不會因外界的掉電而丟失。

圖4 掉電保護電路

本系統采用的鋰電池不可充電，因此需要考慮電量不足時的替換，設計檢測電路如圖5所示，VREF參考電壓為2.5V,因此當檢測到的鋰電池電壓低于2.8V(此時給RAM供電電壓約2.4V，恰好是RAM供電最低電壓)時，電壓比較器UPC393給NPN型三極管Q6提供導通電壓，三極管處于飽和狀態，同時二極管LED12發光，提醒用戶更換鋰電池，實現電池電量的實時監控。

圖5 電池電量檢測電路

3 軟件實現

為了更快速的進行軟件設計、更方便的控制各個任務模塊，對本控制系統移植uClinux操作系統[7]。uClinux是個多任務操作系統，相較于標準Linux有更小的內核，具有良好的穩定性和移植性。由于主控系統是個典型多任務系統，因此采取單進程多線程的方式設計系統的應用程序。通過移植操作系統大大提高程序編寫效率和穩定性。

3.1 控制器ARM程序

主控系統ARM程序采用模塊化設計理念，軟件的總體流程圖如圖6所示，在系統開機上電后，首先進行初始化操作如啟動uClinux操作系統、設置串口波特率等。然后配置并開啟中斷，通過掃描輸入信號，同時對主軸編碼器信號、液晶觸摸屏參數、探緯信號等各種信號進行檢測，結合毛巾的織造要求判斷當前所需的織造狀態，并對選緯器、電子多臂、各個電磁鐵、主電機和尋緯絞邊電機等各個模塊進行控制，不同的織造狀態有不同的控制要求。同時通過中斷方式實現控制所需的其他功能，如當出現斷緯、斷經狀況時，會產生中斷，系統響應該中斷并立即停車。同時每個織造狀態也通過中斷實現織機五大運動之間的切換。以點動為例，當檢測到開口動作信號時主控系統驅動電子多臂和主電機旋轉實現開口，通過主軸編碼器檢測到開口動作完成時系統產生中斷，當產生下一個點動信號時，系統響應該中斷并控制選緯器進行選緯動作，通過此方式實現開口、引緯、打緯、送經、卷曲這五大動作。

圖6 主控系統軟件模塊圖

3.2 控制器CPLD程序

控制系統中CPLD芯片EPM570T144C5采用VHDL語言編程，主要任務是檢測和接收外部包括指示燈、主軸編碼器在內的輸入信號，進行預處理之后發送給ARM芯片處理，同時接收ARM傳輸過來的包括電子多臂和選緯控制信號在內的輸出信號。輸入信號的采集、數據預處理、中斷管理、輸出信號的控制等CPLD程序均以Process形式存在，且這些Process程序相互間是并行關系。每次啟動控制系統時，CPLD會自動運行，檢測和接收外部的輸入信號，把該信號處理后發送給ARM芯片，同時也接收ARM發送過來的信號，按照ARM要求控制信號的輸出，程序流程如圖7所示。

圖7 CPLD程序框圖

系統的硬件電路以及液晶觸摸屏如圖8所示。

圖8 系統硬件電路和液晶觸摸屏

4 結論

本文針對現階段毛巾織機的缺陷和不足，設計了毛巾織機的主控系統。采用以ARM和CPLD為核心的控制方式，具有良好的可擴展性和靈活性，只需稍作修改就能夠應用于不同類型的毛巾織機上。目前，該主控系統的調試工作已經完成，運行結果表明主控系統能穩定、有效的完成毛巾織機各種織造要求。

[1]劉永亭.用PLC實現毛巾織機天經系統控制[J].電氣時代,2008,(4)：21.

[2]陳登,梁海順.淺談國內毛巾織機的技術改造和革新[J].江蘇紡織,2005,(4)：22-26.

[3]章玉銘.毛巾劍桿織機的控制系統設計[D].浙江：浙江工業大學,2011.

[4]陳劍斌,田聯房,等.基于ARM的自主移動機器人控制系統設計[J].機械設計與制造,2011(6)：160-162.

[5]孫書鷹,陳志佳,等.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用,2010,31(12)：59-63.

[6]田澤.嵌入式系統開發與應用[M].北京：北京航空航天出版社.2005：374-507.

[7]沈洪銳,沈曉虹.基于ARM和uClinux動態Web實現對步進電機的控制[J].機床與液壓,2011,39(14)：94-96.