摘要： 本文在分析電腦橫機功能要求和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式的基礎上，介紹一種基于嵌入式技術開發(fā)的全自動電腦橫機控制系統(tǒng)，提出采用32位處理器ARM和FPGA作為嵌入式全自動橫機的主控制和從控制，基于此設計思路的電腦橫機控制系統(tǒng)性價比和集成度都比較高，具有較好的使用價值。 關鍵字： 電腦橫機 ARM FPGA 全自動電腦橫機是針織行業(yè)中技術含量較高的機械,它集成了大量的數(shù)字開關量控制、電子驅動、機械機構、電機驅動等技術,可以編織非常復雜的手搖橫機無法完成的衣片組織 。隨著電腦針織的普及，具有高性價比和高集成度的電腦橫機越來越受到青睞，隨之，此類產(chǎn)品的需求量也越來越大。但是目前市場上的電腦橫機控制器大多數(shù)采用單片機做主處理器或者以工業(yè)控制計算機為基礎開發(fā)而來，還有采用32位處理器ARM和群組單片機組成的控制系統(tǒng)。采用單片機做主處理器,有集成度不高、穩(wěn)定性不好等缺點。以工業(yè)控制計算機為基礎開發(fā)而來的電腦橫機控制系統(tǒng)，主程序在工控機上運行，處理速度快，運行穩(wěn)定，但正常工作時，由于前端控制點所需要的信息量很大，要求反應時間極短，控制精度不高，體積龐大等缺點也相應的暴露出來并且成本較高。采用32位處理器ARM和群組單片機組成的控制系統(tǒng)，雖然簡化了電腦橫機控制系統(tǒng)的結構，使用了多種外圍芯片集于一體的ARM芯片，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但多單片機的協(xié)調工作問題及工業(yè)場合的抗干擾問題一直未得到很好的解決，系統(tǒng)的平均無故障時間仍有待于進一步提高。我們在分析電腦橫機功能要求和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式的基礎上，提出采用32微處理器ARM和FPGA作為該控制系統(tǒng)的主控制和從控制，基本解決了上述問題。在該系統(tǒng)中ARM作為上位機主要實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的管理，F(xiàn)PGA解釋并執(zhí)行上位機送來的命令及監(jiān)控個子系統(tǒng)的運行情況，發(fā)現(xiàn)異常時向上位機報警。 控制系統(tǒng)框架如圖1所示 [align=center] 圖1控制系統(tǒng)框架圖[/align] 1電腦橫機控制系統(tǒng)的要求 電腦橫機控制系統(tǒng)主要包括，選針控制模塊、導紗控制模塊、三角控制模塊、密度調節(jié)控制模塊、機頭傳動控制模塊、牽拉卷取控制模塊、壓腳控制模塊、橫移控制模塊、現(xiàn)場同步與故障信號預處理模塊等部分。而橫機控制系統(tǒng)的核心就是通過電磁鐵、步進電機、交流伺服電機等執(zhí)行設備配合檢測單元產(chǎn)生的同步信號來完成編織所需的各個特定動作的，因此其基本控制對象即為電磁鐵和電機。其中：被控制的電機包括2套交流伺服電機、18套步進電機和8套直流卷布電機：①1套交流伺服電機作為主傳動電機，通過皮帶帶動機頭運動；②1套交流伺服電機作為搖床電機，針織過程中控制搖床動作；③8套直流電機，控制卷布牽拉機構；④8套步進電機，調節(jié)壓針密度；⑤4套步進電機控制壓腳；⑥6套步進電機用于完成剪刀剪線動作；被控制的電磁鐵有160個之多，主要分為：①紗嘴選擇電磁鐵2組，每組8套電磁鐵；②三角控制電磁鐵4組，每組6套電磁鐵；③選針器控制器8組，每組10套電磁鐵。橫機控制信號如表1所示。 2硬件系統(tǒng)設計 電腦橫機控制系統(tǒng)是一個在線實時控制系統(tǒng)，設計時要同時考慮控制的可靠性及其性價比。如前所述，由于單片機和工業(yè)控制計算機分別存在著諸如集成度不高、穩(wěn)定性不好和成本較高等方面的缺點。因此，我們選用ARM作為本系統(tǒng)的主處理器，由于電腦橫機共有265路輸入輸出信號，對不同信號的處理要求遵循特定的時序和邏輯，并且系統(tǒng)有多路中斷信號和控制信號，但是主處理器的I/O口資源有限，因此在ARM作為主處理器的基礎上擴展了三片Cyclone系列FPGA芯片作為從處理器。 本系統(tǒng)選用SAMSUNG公司的S3C44BOX作為主處理器，這是一款16/32 位ARM 7TDMI RISC 處理器（66MHz） , 提供了豐富的內部設置包括，8KB cache，內部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統(tǒng)管理器，代用PWM功能的5通道定制器等[2]。三片F(xiàn)PGA選用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240，它采用0.13um的工藝制造，內部具有鎖相環(huán)、RAM塊、邏輯容量為5980個LE，最大用戶I/O有185個。內部RAM塊只有M4K一種，可以實現(xiàn)真正雙端口、簡單雙端口和單端口的RAM，可以支持移位寄存器和ROM方式。共有8個內部全局時鐘網(wǎng)絡，支持DDR存儲器接口，支持高速LVDS接口[3]。 ARM作為主處理器負責LCD顯示及鍵盤處理實現(xiàn)良好的用戶界面，并且通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線（包括中斷請求線和讀寫控制線）給FPGA寫入命令，傳輸/讀取數(shù)據(jù)，同時FPGA收集外部眾多檢測信號，進行相應的處理，并將重要的信號反饋給上位機進行實時顯示。三片F(xiàn)PGA以從處理器的模式配合主處理器工作，作為主控制系統(tǒng)與底層執(zhí)行器的直接對話部分，實現(xiàn)對多路電機、電磁鐵的驅動和控制。具體來說，F(xiàn)PGA（A）完成3路用戶輸入（啟動、停止和點動）、8套直流電機、2套交流伺服控制及29路檢測信號的監(jiān)聽工作，包括8路位置傳感信號、7路故障報警信號、11路零位置傳感信號及3路位置計數(shù)信號，充分反映了橫機當前的工作狀態(tài)；FPGA（B）、FPGA（C）用于控制18套步進電機（密度控制、壓腳控制、剪刀控制）及160路電磁鐵（紗嘴選擇、三角控制、選針器控制）的吸合與彈開。 由于FPGA驅動能力有限，因此我們使用LVC245來增強電路的驅動能力，最大電流可達100毫安。另外，本控制系統(tǒng)有多路電源，強弱電信號必須經(jīng)過隔離，我們選用的是光電耦合器2501來實現(xiàn)隔離的功能。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。 [align=center] 圖2系統(tǒng)硬件結構圖[/align] 3軟件系統(tǒng)設計 電腦橫機控制信息的流程一般可歸納如下：從輸入設備取得花型圖像，該花型圖像經(jīng)花型準備系統(tǒng)處理后，轉換成花型數(shù)據(jù)文件，該文件不僅包含花型本身的信息，還包含選針數(shù)據(jù)和其他控制數(shù)據(jù)，通過信息載體輸出到電腦橫機控制器的上位機模塊，經(jīng)上位機模塊的預處理，傳送給下位機各子模塊，由下位機各子模塊根據(jù)現(xiàn)場信號進行實時處理，然后將控制信號輸出給各個子控制的執(zhí)行單元，從而完成整個控制任務。 通過對上述過程分析，該電腦橫機控制系統(tǒng)的軟件包括底層設備驅動程序、應用程序、工藝執(zhí)行程序等。針織控制程序基于設備驅動接口實現(xiàn)針織過程的軟件控制。驅動服務程序包括自動配置和初始化子程序，服務于I/O請求的子程序和中斷服務子程序。由于工藝執(zhí)行部分有29路檢測信號接入到FPGA上，通過FPGA的中斷管理模塊進行集中收集并向上位機申請中斷，當應中斷時，中斷服務程序被執(zhí)行。服務于I/O請求的子程序，通過一系列入口函數(shù)，控制電磁鐵和電機的動作。 我們采用Borland C/C++進行軟件開發(fā)。上位機程序包括初始化、主程序面板管理子程序、花型信息處理子程序、中斷服務子程序通訊子程序等。當系統(tǒng)啟動時，設置一些參數(shù)，對各種電機及電磁鐵電路自檢并復位，確保機頭在機器兩端，然后進人花型信息處理程序的主控模塊。在編織之前，通過USB接口讀入U盤中設計好的花型數(shù)據(jù)文件。然后設定針床原點，再對輸入／輸出信號進行測試，測試正確后，調用編織模塊中的試編織子模塊試編織一行數(shù)據(jù)，最后才開始正式編織。 大多數(shù)復雜的嵌入式系統(tǒng)中都采用實時操作系統(tǒng)，我們選用UC/OSⅡ作為該控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。UC/OSⅡ是一種源碼開放（C 代碼） 的嵌入式實時操作系統(tǒng),簡單易學，提供了嵌入式系統(tǒng)的基本功能，其核心代碼短小精悍，如果針對硬件進行優(yōu)化，還可以獲得更高的執(zhí)行效率[2 ] 。UC/OSⅡ在本控制系統(tǒng)中主要負責各個功能任務管理和調度,是整個控制系統(tǒng)的軟件運行環(huán)境。利用UC/OSⅡ的任務調度和郵箱消息傳遞可實現(xiàn)各部分功能之間的通訊和任務級調度,實現(xiàn)橫機各個復雜部件控制的協(xié)調配合。 4結束語 本文所研究的是基于ARM和FPGA的新型電腦橫機控制系統(tǒng)。它具有處理速度快，運行穩(wěn)定且實時性好等特點，使得以單片機和工控機為處理器的橫機控制系統(tǒng)所帶來的問題得到了很好地解決。對比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計方法，本課題設計的系統(tǒng)在縮短前端控制時間的基礎上提高了控制精度，也能使現(xiàn)龐大的控制系統(tǒng)的體積縮小。