基于ARM與FPGA技術(shù)的高速劍桿織機控制系統(tǒng)

金永敏

摘要

以劍桿毛巾織機樣機為控制對象，在分析平布或起毛類織物的織造原理與紡織機械部件運動時序的基礎(chǔ)上，開展劍桿織機控制系統(tǒng)設(shè)計，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控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】毛巾劍桿織機 STM32F407 FPGA 運動控制

劍桿織機以其靈活多變，適應性廣，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，而高速劍桿織機也成為織機的發(fā)展方向之一。因此，在升級紡機機械部件的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速劍桿織機控制系統(tǒng)，逐漸成為國內(nèi)中小型劍桿織機生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點。在此背景下，項目組提出了高速劍桿織機控制系統(tǒng)研究項目，以合作單位提供的劍桿織機樣機為控制對象，在分析平布或起毛類織物的織造原理與紡織機械部件運動時序的基礎(chǔ)上，開展劍桿織機控制系統(tǒng)設(shè)計，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控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計方案，并制作樣機。

1 高速劍桿織機設(shè)計方案

高速織機控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計主要是在研究平布或起毛類織物的織造原理與紡織機械部件運動時序的基礎(chǔ)上，提出符合工程樣機控制要求的織機整體運動控制方案與控制系統(tǒng)詳細實施方案。同時，完成劍桿織機控制系統(tǒng)功能模塊劃分與功能模塊控制信息邏輯關(guān)系分析。控制方案將采用ARM+FPGA的雙核架構(gòu)。FPGA芯片負責伺服電機運動控制、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芯片負責人機界面管理、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 高速劍桿織機硬件設(shè)計

高速劍桿織機控制系統(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)處理器進行設(shè)計。研制的劍桿織機控制系統(tǒng)硬件電路將包含：電源模塊、STM32F407最小系統(tǒng)、EP4CE6E22最小系統(tǒng)、伺服電機運動控制模塊、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。控制系統(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當成STM32F407的外部SRAM來配置，通過擴展出的數(shù)據(jù)/地址/控制三總線來實現(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 伺服電機控制器驅(qū)動電路

伺服電機控制器驅(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的運行。該模塊電路由：電機驅(qū)動脈沖信號、電機運行方向信號、電機使能信號、電機報警信號返回、伺服定位完成信號返回等組成。其中：電機驅(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)生相應的差分信號給伺服驅(qū)動器，從而控制電機的運行。其他幾個控制信號與返回信號都通過普通光耦隔離。

3 高速劍桿織機軟件設(shè)計

高速劍桿織機控制軟件主要包括：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

劍桿織機控制系統(tǒng)的軟件將以實時嵌入式系統(tǒng)μC/OS-‖與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺進行開發(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，如USB、7寸TFT液晶觸摸顯示屏等模塊的驅(qū)動程序。

（2）劍桿織機運動機構(gòu)控制與工作狀態(tài)監(jiān)測功能模塊設(shè)計，這部分工作是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點，其主要功能為控制與協(xié)調(diào)劍桿織機的各個運動機構(gòu)，完成布料的織造流程，并對織機各部件的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，確保織造過程的安全性。該軟件功能模塊設(shè)計的關(guān)鍵是需要與布匹織造工藝相結(jié)合，根據(jù)劍桿織機控制信息點、織機動作時序，控制時間節(jié)點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)試階段進行驗證與修改。

（3）人機界面與控制參數(shù)輸入模塊設(shè)計項目設(shè)計的人機界面，以EMWIN為GUI的開發(fā)平臺，可設(shè)置與查閱織機各類控制參數(shù)、運行狀態(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)的劍桿織機控制系統(tǒng)能應用于更多機型。

3.2 FPGA的軟件設(shè)計

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

4 結(jié)論

本為所設(shè)計的高速劍桿織機控制系統(tǒng)將在合作企業(yè)生產(chǎn)銷售，項目的合作單位作為專業(yè)織機控制系統(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)濟效益與社會效益。

參考文獻

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

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

[3]陳明.新型劍桿織機的工作原理及設(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)計陰[J].機電工程，2006（04）.

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

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