基于ARM与FPGA技术的高速剑杆织机控制系统

金永敏

摘要

以剑杆毛巾织机样机为控制对象，在分析平布或起毛类织物的织造原理与纺织机械部件运动时序的基础上，开展剑杆织机控制系统设计，以32位嵌入式处理器STM32F407芯片为基础并结合FPGA技术，研制一套高速剑杆织机控制系统的软硬设计方案。

【关键词】毛巾剑杆织机 STM32F407 FPGA 运动控制

剑杆织机以其灵活多变，适应性广，技术发展成熟，而深受布匹与毛巾生产企业的青睐，而高速剑杆织机也成为织机的发展方向之一。因此，在升级纺机机械部件的基础上，开发具有自主知识产权的高速剑杆织机控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆织机生产厂家关注的重点。在此背景下，项目组提出了高速剑杆织机控制系统研究项目，以合作单位提供的剑杆织机样机为控制对象，在分析平布或起毛类织物的织造原理与纺织机械部件运动时序的基础上，开展剑杆织机控制系统设计，以32位嵌入式处理器STM32F407芯片为基础并结合FPGA技术，研制了一套高速剑杆织机控制系统的软硬设计方案，并制作样机。

1 高速剑杆织机设计方案

高速织机控制系统总体方案设计主要是在研究平布或起毛类织物的织造原理与纺织机械部件运动时序的基础上，提出符合工程样机控制要求的织机整体运动控制方案与控制系统详细实施方案。同时，完成剑杆织机控制系统功能模块划分与功能模块控制信息逻辑关系分析。控制方案将采用ARM+FPGA的雙核架构。FPGA芯片负责伺服电机运动控制、电子多臂控制信号与选纬控制信号的输出以及外部控制信息的输入。ARM芯片负责人机界面管理、经纱张力控制、布匹织造工艺流程控制、主轴角度检测、各类报警信息检测等。FPGA芯片与ARM芯片采用SPI总线通信。

2 高速剑杆织机硬件设计

高速剑杆织机控制系统硬件电路将采用32位ARM芯片STM32F407为主控CPU，以FPGA芯片EP4CE6E22为协处理器进行设计。研制的剑杆织机控制系统硬件电路将包含：电源模块、STM32F407最小系统、EP4CE6E22最小系统、伺服电机运动控制模块、经纱张力检测与控制模块、外部控制信号输入模块、控制信号输出模块、人机界面模块、USB文件系统模块等。外部控制信号输入模块、控制信号输出模块采用光耦隔离，防止干扰。控制系统主要的硬件模块如下所述：

2.1 STM32F407与EP4CE6E22通信硬件电路

STM32F407与FPGA的接口方式有很多种，可以是串行的，也可以是并行的，考虑到FPGA在多路并行数据处理方面有明显优势，设计采用STM32F407的并行总线接口（FSMC）与FPGA的连接。FSMC是STM32系列采用的一种新型的存储器扩展技术，支持不同的外部存储器类型，其中就包括多种类型的静态存储器，因此，可将FPGA当成STM32F407的外部SRAM来配置，通过扩展出的数据/地址/控制三总线来实现操作，这样既能保证较快的操作速度，又具有很高的灵活性。

2.2 伺服电机控制器驱动电路

伺服电机控制器驱动电路主要功能为：FPGA芯片通过驱动电路与伺服驱动器的配合控制伺服电机的运行。该模块电路由：电机驱动脉冲信号、电机运行方向信号、电机使能信号、电机报警信号返回、伺服定位完成信号返回等组成。其中：电机驱动脉冲信号经过高速光耦6N137隔离后输入给AM26LS31芯片产生相应的差分信号给伺服驱动器，从而控制电机的运行。其他几个控制信号与返回信号都通过普通光耦隔离。

3 高速剑杆织机软件设计

高速剑杆织机控制软件主要包括：STM32F407的软件与FPGA的软件两大部分。具体如下所述。

3.1 STM32F407的控制系统软件设计

剑杆织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-‖与FAT32文件管理系统为平台进行开发。包含：

（1）嵌入式系统成μOS-‖与FAT32文件管理系统在STM32F407芯片上的移植工作与相关硬件模块的驱动程序设计，如USB、7寸TFT液晶触摸显示屏等模块的驱动程序。

（2）剑杆织机运动机构控制与工作状态监测功能模块设计，这部分工作是控制系统软件设计的重点，其主要功能为控制与协调剑杆织机的各个运动机构，完成布料的织造流程，并对织机各部件的工作状态进行实时监控，确保织造过程的安全性。该软件功能模块设计的关键是需要与布匹织造工艺相结合，根据剑杆织机控制信息点、织机动作时序，控制时间节点等信息编写正确的控制逻辑关系，并在软硬件联合调试阶段进行验证与修改。

（3）人机界面与控制参数输入模块设计项目设计的人机界面，以EMWIN为GUI的开发平台，可设置与查阅织机各类控制参数、运行状态信息以及阅读织物工艺数据文件。

特别是能通过软件自由设置电机每转一圈返回的脉冲数、电子齿轮比与刺毛管周长系数，使研制开发的剑杆织机控制系统能应用于更多机型。

3.2 FPGA的软件设计

剑杆毛巾织机控制软件的FPGA部分主要功能是实现对伺服电机的位置与外部开关量输入输出控制。其中开关量输入输出控制比较简单，伺服电机的位置控制程序由硬件描述语言设计完成。

4 结论

本为所设计的高速剑杆织机控制系统将在合作企业生产销售，项目的合作单位作为专业织机控制系统生产产家，已经具备了成熟的销售渠道，有利于研究成果的市场推广。综上所述，本文的研究成果具有广泛的产业化前景，能取得较好的经济效益与社会效益。

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