在嵌入式技術在各個領域的應用日益普及和深入的情況下，將其應用到特種工業(yè)縫紉機的智能化、自動化的控制上勢在必行。至2007年以來，德國杜克普（DRKOOP）、日本重機（JUKI）、日本兄弟（BROTHER）等知名的國外縫紉機企業(yè)都相繼推出了多款特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)，大大提高了工作效率，深受市場歡迎，但是其價格動輒二十多萬，國內的一般中小型企業(yè)很難承受。

相對于這些知名的外國企業(yè)，國內的一些知名縫紉機企業(yè)如新杰克縫紉機、中捷（ZOJE）縫紉機基本上還是在采取自己生產(chǎn)機械部分，采購國外的一些控制器，然后組裝出售。為此開發(fā)出一款可靠性較高，價格低廉的高速特種工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)將會有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)設計的工業(yè)縫紉機由3部分組成，操作面板單元（人機交互單元）、伺服驅動單元以及縫紉機機械單元，其中機械單元由專業(yè)縫紉機公司生產(chǎn)，筆者不加以討論。本文設計完成的是整體電控縫紉機的控制部分的技術方案，是完成電控特種縫紉機的最關鍵部分，經(jīng)設計開發(fā)后以操作面板（人機交互單元）的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品中，伺服驅動單元控制箱與之用RMII以太網(wǎng)方式的差分信號通信的形式通過電纜線相連。

整個系統(tǒng)的硬件框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用的ARM（Advanced RISC Machines）芯片是內核為ARM920T的S3C2440，價格便宜，抗干擾能力強，能夠在1.3 V電壓下以極低的功耗工作在高達400 MHz的主頻下，易于系統(tǒng)的移植和功能擴展，在做界面顯示的時候有獨特的優(yōu)勢，但是在電機控制方面也存在相應的短板問題，因此該系統(tǒng)是基于ARM和FPGA（Field Programmable Gate Array）架構的控制系統(tǒng)，其中ARM控制器作為主CPU負責數(shù)控系統(tǒng)各個任務的管理調度， 給用戶提供操作方便、簡單的人機交互界面。作為從處理器，EP2C35-F484的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號直接受S3C2440芯片相應的數(shù)據(jù)線和讀/寫信號控制。EP2C35-F484是一種功能比較強大的專業(yè)級運動控制芯片，能夠實現(xiàn)對四軸控制，可以對任意兩軸進行直線和圓弧插補。在本系統(tǒng)中主要作用是實現(xiàn)伺服電機的實時運動控制，主CPU ARM通過總線向其發(fā)送控制指令實現(xiàn)各種復雜的運動。

1.1 電源模塊

本系統(tǒng)選用的微控制器要使用多組電源，具體電路如圖2所示。由于FPGA內部邏輯陣列工作電壓為1.2 V，為減少電源設計難度，讓ARM內核也工作在1.2 V的電壓下，此時ARM芯片工作主頻為300 MHz，由于ARM I/O口工作電壓為3.3 V，因此FPGA的BANK1至BANK8 I/O供電電壓也設計成33 V。FPGA鎖相環(huán)丁作電壓為1.2 V。ARM內核工作電壓設計要非常精準，因為1.2 V工作電壓下芯片工作的主頻是300MHz，1.3 V工作電壓下芯片的工作主頻為400 MHz，如果電壓不穩(wěn)，極有可能出現(xiàn)程序“跑飛”致使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，因此設計了兩路1.2 V的電壓，一路網(wǎng)絡標號為+1.2 V，另一路網(wǎng)絡標號為PLL_VCC，分別給ARM和FPGA供電，這樣就有效的防止了因為干擾導致電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

電源芯片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電路。這種新的三路器件的效率高達95%，大大地降低了對用在消費類電子產(chǎn)品，通信和數(shù)字視頻產(chǎn)品中的完整FPGA系統(tǒng)供電所需的外接元件數(shù)量。TPS75003有兩個95%效率的3 A降壓控制器和一個300 mA LDO（low dropout regulator）調整器，所有通道可調整輸出電壓，從1.20 V到6.5 V，輸入電壓范圍從2.2 V到6.5 V，其輸入電壓VDD5V由伺服驅動單元提供。所有三種電源有單獨的軟起動，用小型陶瓷輸出電容能使LDO穩(wěn)定，每種電源有單獨的使能，以便靈活加電次序。TPS75003由于效率極高，所以相比于線性LDO芯片來說其發(fā)熱量很小，并且由于其極為小巧，尺寸20引腳QFN封裝（4.5*3.5*0.9 mm），這樣大大節(jié)約了硬件空間。

1.2 復位電路

由于ARM芯片的高速，低功耗，低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波，瞬態(tài)響應性能，時鐘源的穩(wěn)定性，電源監(jiān)控的可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本系統(tǒng)在設計的時候，在復位電路中采用的是帶IIc（Inter—Integrated Circuit）存儲器的電源控制芯片CAT1025JI-30（復位門檻電壓為3.30～3.15 V），這樣可提高系統(tǒng)的可靠性。信號/RESET連接到S3C2440芯片的復位腳nRESET，當復位按鍵按下時，CAT1025JI-30的/RESET引腳立即輸出復位信號。使S3C2440芯片復位。

1.3 LCD模塊

S3C2440有專用的LCD（Liquid Crystal Display）控制器，內部集成LCD控制電路，可以支持單色、4級灰度或者16級灰度屏，并且它可以與256色和4096色的彩色STN LCD連接，這使得液晶屏和ARM的硬件連接十分簡單，極大簡化了設計電路。為了適應用戶對成本的考慮和在不同應用場合情況下需求的不同，本課題組設計了兩款液晶屏接口電路，分別是爭對于SHARP公司的3.5Inch Color TFT-LCD LQ035Q1DG02和AUO公司的5.7 Inch Color TFT-LCD G057VN01，前者配上鍵盤進行人機交互，而后者則使用觸摸方式進行人機交互。

背光電源如圖3所示。CAT4240芯片是一款DC/DC步進轉換器，能夠提供1個適合于驅動LED（Liquid Crystal Display）的精確固定電流。工作于1 MHz的同定轉換頻率，允許該器件能夠使用小值的外部陶瓷電容和電感。LED以串聯(lián)方式連接，通過外部電阻設置的穩(wěn)定電流來驅動。CAT4240高電壓輸出級非常適用于包括多達10個串聯(lián)LED的中型和大型面板的顯示。當系統(tǒng)采用3.5 Inch液晶屏時只需將R34焊接上而R33不焊接，當采用5.7 Inch液晶屏時則只需將R33焊接上而R34不焊接。這樣可以將兩款晶接口電路設計在同一個板卡上，使得本系統(tǒng)兼容兩款液晶屏，極大的方便了用戶的選擇。

1.4 SD CARD接口電路

不同用戶對于縫紉機的工作要求不一樣，為了方便用戶進行二次開發(fā)，設計了SD接口電路。用戶開發(fā)出的控制伺服電機的運行軌跡的應用程序通過SD卡被ARM芯片讀取后傳送給FPGA。這樣的設計使得控制系統(tǒng)的軟硬件平臺具有良好的通用性、靈活性和擴展性。

1.5 ARM控制器的存儲器單元

本系統(tǒng)為ARM控制器配置了由2片16位的容量為128Mb的DRAM HY57V281620CT—H組成的32位存儲器，8位容量為64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。WINCE操作系統(tǒng)存貯在NAND Flash中，系統(tǒng)啟動后固化在S3C2440內部4KFLASH中的啟動代碼將操作系統(tǒng)在拷貝到DRAM中運行。

1.6 FPGA存儲器單元

FPGA配置了容量為256Mb的16位高速DDR（Double Data Rate）型SRAM（Static RAM）MT46V16M16TG，伺服電機驅動控制程序在此運行。另外提供了一片容量為512 KB的16位CMOS型SRAM芯片IS62WV51216BLL，此空間用來存放用戶開發(fā)的應用程序，如圖4所示。其中MAX6367PKA29低功耗電源監(jiān)控電路，帶有備用電池及晶片啟動澆注。其復位引腳和輸入使能控制引腳由FPGA I/O口控制。輸出使能端與SRAM片選使能信號端相連，當輸入使能有效時輸出使能引腳產(chǎn)生低電平從而使能SRAM。當此電源監(jiān)控芯片檢測到供電電壓高于復位門檻電壓2.93 V時，也就是系統(tǒng)未掉電時，采用系統(tǒng)電源供電，同時對0.1 F大電容C48充電，當檢測到系統(tǒng)掉電時采用備用紐扣電池供電，當紐扣電池電量耗盡更換電池時采用C48電容對該芯片供電，采用這些措施充分保證了用戶應用程序掉電不消失。

1.7 FPGA與伺服驅動模塊通信接口

由FPGA和以太網(wǎng)物理收發(fā)器芯片DM9161A、以太網(wǎng)變壓器-濾波器芯片HS9016構成的以太網(wǎng)接口電路，采用FFC連接器，利用雙絞線與伺服驅動模塊進行通信。實驗證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，通信效果良好。

1.8 伺服驅動單元

伺服驅動單元是電機的功率驅動部分，是驅動電機運轉的關鍵，該部份包括整流、逆變、前置驅動、電流檢測及過壓、欠壓、過載等保護功能。本系統(tǒng)中用一個交流伺服電機作為主軸電機，4個直流步進電機分別作為x軸步進電機、Y軸步進電機、剪線壓腳步進電機和抓線步進電機。電機的三相電源控制信號經(jīng)光電耦合器隔離，分別控制電機驅動智能模塊IPM的U、V、W三相輸入端，控制IPM的輸出功率晶體管導通或截止，得到驅動電機的輸出可調頻率的交流電壓，從而控制電機的轉動、運動方向及轉速。限于篇幅，在此不列出詳細的硬件設計原理圖。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計分為3部分，分別是基于ARM的程序設計、基于FPGA的程序設計以及基于具體應用的應用程序設計。本系統(tǒng)采用的WINCE操作系統(tǒng)是微軟公司推出的開源嵌入式操作系統(tǒng)，資源豐富，集成了以太網(wǎng)、SD卡等常用的驅動，給出了液晶屏驅動程序的標準模塊，只需要根據(jù)實際使用的液晶屏參數(shù)進行相應修改即可，極大的縮短了開發(fā)周期。

ARM控制芯片的程序流程圖見圖5中（a）圖所示，系統(tǒng)上電后NAND FLASH的前4K代碼會自動拷貝到S3C2440內部自帶的SRAM中運行，這部分程序是系統(tǒng)的啟動代碼，首先進行初始化，包括時鐘、工作頻率、液晶屏等硬件的初始化，之后會將操作系統(tǒng)鏡像拷貝到DRAM中運行，如果應用程序有變更或更新，則通過總線將SD卡中的應用程序拷貝到為FPGA配置的SRAM中。如果通過液晶屏或者按鍵輸入要執(zhí)行的任務，則給FPGA傳送控制指令，F(xiàn)PGA調用相應的應用程序控制電機執(zhí)行操作。FPGA運動控制芯片的程序流程圖見圖5中（b）圖所示，系統(tǒng)上電后首先進行硬件初始化，然后進行系統(tǒng)自檢，如果自檢發(fā)現(xiàn)有錯誤則進行報警處理，否則系統(tǒng)進入到控制狀態(tài)，要實時監(jiān)測是否接收到來自ARM的控制指令，如果有，則調用相應的電機控制程序并執(zhí)行。應用程序的設計為用戶根據(jù)具體的應用開發(fā)，本文不做介紹。

3 設計注意事項

通過實際調試，在設計中有以下幾方面應予以重視。

1）由于系統(tǒng)的+5 V輸入電源是由伺服驅動模塊提供，為了避免干擾，建議用一個103的瓷片電容、一個100μF的電解電容以及一個型號為GSMA321611-U0031的磁珠進行濾波處理。

2）在設計PCB（Printed Circuit Board）時，模擬地和數(shù)字地應該分開布局，分別布線。SD卡、液晶屏的金屬外殼應該做接地處理，為機殼地，應該單獨走線。最后用型號為GSMA321611—U0031的磁珠將數(shù)字地、模擬地、機殼地進行共地處理。

3）由于變壓器一濾波器芯片HS9016輸出為差分信號，在PCB布線時盡量走等長線，用帶屏蔽的雙絞線與伺服驅動模塊進行通信。

4）TPS75003是一款開關電源芯片，建議嚴格按照其給出的參考布局進行PCB布局，否則極有可能造成電源輸出不穩(wěn)定而導致整個系統(tǒng)癱瘓。

5）由于該控制系統(tǒng)的PCB為六層板，建議在設計PCB時，對于電源部分的設計采用內層分割和填充技術，去掉內層，局部制作成兩層板，這樣可以有效防止電源與其他電路相互干擾。

6）操作系統(tǒng)建議采用Wince，其BSP自帶USB、SD、以太網(wǎng)驅動，設計時無需改動。液晶屏也給出了標準模板，提供了API函數(shù)，只需根據(jù)實際硬件設計情況修改相關寄存器即可，如此會大大降低開發(fā)難度和縮短開發(fā)時間。

4 結束語

隨著集成電路、計算機技術、嵌入式技術在生產(chǎn)、生活中的應用越來越廣泛，基于各種嵌入式平臺的機電一體化技術已經(jīng)到來，并成為最具開放性的控制體系結構。將這種新型的控制體系應用于特種工業(yè)縫紉機領域，社會效益和經(jīng)濟效益良好。

本系統(tǒng)的設計有如下優(yōu)點：1）相對于國外的控制系統(tǒng)價格低廉，有較好的市場前景;2）基于ARM和FPGA架構的系統(tǒng)在通用性和可擴展性方面得到充分保證;3）系統(tǒng)兼容兩款液晶屏，用戶可以在同一個硬件平臺上很方便的根據(jù)自己需求更換液晶屏;4）方便用戶進行二次開發(fā);5）安全低功耗的電源設計，保證系統(tǒng)的正常運行;6）控制系統(tǒng)集成在人機交互單元中，界面友好，操作方便，讓弱電系統(tǒng)跟伺服電機驅動的強電系統(tǒng)分離，有效消除系統(tǒng)干擾。