基于ARM和CPLD的毛巾織機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝同弟，周其洪，陳 革

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

（東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 2 016202）

0 引言

毛巾織機(jī)是劍桿織機(jī)的一種，相較于普通劍桿織機(jī)，毛巾織機(jī)多一個(gè)經(jīng)紗軸即天經(jīng)軸[1]，主要用于形成毛巾地組織表面的毛圈，因此對(duì)控制系統(tǒng)有更高的要求。現(xiàn)階段毛巾織機(jī)主要存在毛圈高度不平整、織機(jī)車速受限、經(jīng)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(duì)現(xiàn)有的毛巾織機(jī)進(jìn)行技術(shù)改革，滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求[2]。針對(duì)現(xiàn)階段的不足以及高檔毛巾織機(jī)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了以ARM處理器為核心，采用ARM和CPLD相結(jié)合的織機(jī)主控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

毛巾織機(jī)的控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)和送經(jīng)卷取系統(tǒng)構(gòu)成，整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。主控制器主要實(shí)現(xiàn)五大功能：控制主軸電機(jī)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、輸入信號(hào)檢測(cè)、控制各種外圍接口模塊以及與送經(jīng)卷取控制器通信。主控制器通過對(duì)主軸編碼器信號(hào)、斷緯斷經(jīng)信號(hào)、人機(jī)界面輸入?yún)?shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，結(jié)合毛巾織造要求，對(duì)主電機(jī)、選緯控制器、電子多臂等進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)用戶工藝參數(shù)的輸入，人機(jī)界面采用帶觸摸功能的顯示屏，是個(gè)相對(duì)獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)。

圖1 毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器主控芯片選型

毛巾織機(jī)的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有大量的被控對(duì)象，因此主控系統(tǒng)采用以ARM和CPLD相結(jié)合控制方式[5]。ARM為主控芯片，CPLD為協(xié)處理器。ARM選用STM32F207ZET6芯片，最高頻率120MHz，擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，具有專門用于電機(jī)控制的高級(jí)定時(shí)器、12位的A/D和較低的CPU占用率，片內(nèi)資源非常豐富[6]，能夠很好的滿足毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的要求。

由于主控系統(tǒng)的控制對(duì)象多，采用CPLD擴(kuò)展系統(tǒng)的I/O口，選用EPM570T144C5芯片，它有570個(gè)宏單元,144個(gè)引腳,其中有116個(gè)通用I/O口[7]。系統(tǒng)通過CPLD協(xié)助ARM控制選緯器、電子多臂以及各個(gè)外部信號(hào)輸入輸出模塊。通過CPLD不僅大大擴(kuò)展了ARM的I/O口，而且可以對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)檢測(cè)和預(yù)處理，減輕了ARM的負(fù)荷，使得CPU能夠有更好的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和擴(kuò)展性，滿足毛巾織機(jī)系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求。主控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(gè)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(jī)輸入信號(hào)選用的PS2801-4光耦的輸入上拉電壓為24V,而輸出信號(hào)的光耦PS2801-4采用15V的上拉驅(qū)動(dòng)電壓，因此系統(tǒng)采用24V開關(guān)電源供電。通過LM2596-5.0芯片把24V電壓轉(zhuǎn)為5V，然后采用LM1117-3.3得到3.3V電壓，選用用MC7815芯片實(shí)現(xiàn)電壓24V到15V的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 電機(jī)控制電路

主控系統(tǒng)需要控制的電機(jī)有主軸伺服電機(jī)、尋緯電機(jī)以及絞邊步進(jìn)電機(jī)，利用ARM定時(shí)器產(chǎn)生的PWM脈沖控制電機(jī)。采用2片雙路HCPL2530有源高速光耦芯片實(shí)現(xiàn)主控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器的隔離，該芯片最快速度達(dá)1MBit/s，完全滿足電機(jī)的控制要求。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用差分信號(hào)模式控制，選用AM26LS31芯片實(shí)現(xiàn)此功能。同時(shí)選用74HC14觸發(fā)器來改善輸出脈沖波形質(zhì)量，保證輸出脈沖的清晰、無抖動(dòng)。

2.2.3 通訊電路設(shè)計(jì)

1）主控制器與上位機(jī)和液晶屏通訊

STM32F207主控制器有4路USART接口，主控系統(tǒng)與PC機(jī)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(jī)界面PWS6600S-S,由于RS232工作電壓為5V，因此采用MAX3232C實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

2）主控制器與其他子系統(tǒng)通訊

主控制器還需和送經(jīng)卷曲控制器進(jìn)行通訊，采用基于CANopen協(xié)議的CAN通訊方式。可以通過此通訊設(shè)置送經(jīng)卷曲的各種參數(shù)，如經(jīng)軸初始直徑、PID參數(shù)、緯密等。選用PCA82C250作為通信芯片，由于CAN最高速度可達(dá)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(kuò)存儲(chǔ)電路

圖3 CAN通訊硬件電路

由于主控系統(tǒng)中需存儲(chǔ)操作系統(tǒng)代碼，在線測(cè)試時(shí)需用到大量的數(shù)據(jù)暫存空間以及掉電保護(hù)事需存儲(chǔ)保護(hù)數(shù)據(jù)，因此在系統(tǒng)中外擴(kuò)一片64K型號(hào)為IS61LV6416的SRAM。數(shù)據(jù)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(dá)到120MHZ，因此存儲(chǔ)芯片需有較快的讀寫速度，否則會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該款芯片的讀寫時(shí)間是10ns，速度完全滿足要求。在設(shè)計(jì)中，采用FSMC的NOR/PSRASM模式來讀寫存儲(chǔ)器。把存儲(chǔ)器的片選線、讀寫控制線、16位地址線、16位數(shù)據(jù)線分別于主控ARM相連。

2.2.5 掉電保護(hù)模塊

掉電保護(hù)電路主要目的是當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)為RAM提供備用電源，保證掉電后系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的重要數(shù)據(jù)不丟失。電路原理如圖4所示，正常情況時(shí)，電源輸出3.3V電壓通過二極管D6給RAM供電。當(dāng)供電電壓過低時(shí)，3.6V鋰電池通過二極管D8、D7給RAM供電，保證RAM里面數(shù)據(jù)不會(huì)因外界的掉電而丟失。

圖4 掉電保護(hù)電路

本系統(tǒng)采用的鋰電池不可充電，因此需要考慮電量不足時(shí)的替換，設(shè)計(jì)檢測(cè)電路如圖5所示，VREF參考電壓為2.5V,因此當(dāng)檢測(cè)到的鋰電池電壓低于2.8V(此時(shí)給RAM供電電壓約2.4V，恰好是RAM供電最低電壓)時(shí)，電壓比較器UPC393給NPN型三極管Q6提供導(dǎo)通電壓，三極管處于飽和狀態(tài)，同時(shí)二極管LED12發(fā)光，提醒用戶更換鋰電池，實(shí)現(xiàn)電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 電池電量檢測(cè)電路

3 軟件實(shí)現(xiàn)

為了更快速的進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、更方便的控制各個(gè)任務(wù)模塊，對(duì)本控制系統(tǒng)移植uClinux操作系統(tǒng)[7]。uClinux是個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，相較于標(biāo)準(zhǔn)Linux有更小的內(nèi)核，具有良好的穩(wěn)定性和移植性。由于主控系統(tǒng)是個(gè)典型多任務(wù)系統(tǒng)，因此采取單進(jìn)程多線程的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。通過移植操作系統(tǒng)大大提高程序編寫效率和穩(wěn)定性。

3.1 控制器ARM程序

主控系統(tǒng)ARM程序采用模塊化設(shè)計(jì)理念，軟件的總體流程圖如圖6所示，在系統(tǒng)開機(jī)上電后，首先進(jìn)行初始化操作如啟動(dòng)uClinux操作系統(tǒng)、設(shè)置串口波特率等。然后配置并開啟中斷，通過掃描輸入信號(hào)，同時(shí)對(duì)主軸編碼器信號(hào)、液晶觸摸屏參數(shù)、探緯信號(hào)等各種信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合毛巾的織造要求判斷當(dāng)前所需的織造狀態(tài)，并對(duì)選緯器、電子多臂、各個(gè)電磁鐵、主電機(jī)和尋緯絞邊電機(jī)等各個(gè)模塊進(jìn)行控制，不同的織造狀態(tài)有不同的控制要求。同時(shí)通過中斷方式實(shí)現(xiàn)控制所需的其他功能，如當(dāng)出現(xiàn)斷緯、斷經(jīng)狀況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)響應(yīng)該中斷并立即停車。同時(shí)每個(gè)織造狀態(tài)也通過中斷實(shí)現(xiàn)織機(jī)五大運(yùn)動(dòng)之間的切換。以點(diǎn)動(dòng)為例，當(dāng)檢測(cè)到開口動(dòng)作信號(hào)時(shí)主控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電子多臂和主電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開口，通過主軸編碼器檢測(cè)到開口動(dòng)作完成時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，當(dāng)產(chǎn)生下一個(gè)點(diǎn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)該中斷并控制選緯器進(jìn)行選緯動(dòng)作，通過此方式實(shí)現(xiàn)開口、引緯、打緯、送經(jīng)、卷曲這五大動(dòng)作。

圖6 主控系統(tǒng)軟件模塊圖

3.2 控制器CPLD程序

控制系統(tǒng)中CPLD芯片EPM570T144C5采用VHDL語言編程，主要任務(wù)是檢測(cè)和接收外部包括指示燈、主軸編碼器在內(nèi)的輸入信號(hào)，進(jìn)行預(yù)處理之后發(fā)送給ARM芯片處理，同時(shí)接收ARM傳輸過來的包括電子多臂和選緯控制信號(hào)在內(nèi)的輸出信號(hào)。輸入信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、中斷管理、輸出信號(hào)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(guān)系。每次啟動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，CPLD會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，檢測(cè)和接收外部的輸入信號(hào)，把該信號(hào)處理后發(fā)送給ARM芯片，同時(shí)也接收ARM發(fā)送過來的信號(hào)，按照ARM要求控制信號(hào)的輸出，程序流程如圖7所示。

圖7 CPLD程序框圖

系統(tǒng)的硬件電路以及液晶觸摸屏如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)硬件電路和液晶觸摸屏

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)階段毛巾織機(jī)的缺陷和不足，設(shè)計(jì)了毛巾織機(jī)的主控系統(tǒng)。采用以ARM和CPLD為核心的控制方式，具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，只需稍作修改就能夠應(yīng)用于不同類型的毛巾織機(jī)上。目前，該主控系統(tǒng)的調(diào)試工作已經(jīng)完成，運(yùn)行結(jié)果表明主控系統(tǒng)能穩(wěn)定、有效的完成毛巾織機(jī)各種織造要求。

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