嵌入式技术在特种工业缝纫机上的应用

1.4 SD CARD接口电路

不同用户对于缝纫机的工作要求不一样，为了方便用户进行二次开发，设计了SD接口电路。用户开发出的控制伺服电机的运行轨迹的应用程序通过SD卡被ARM芯片读取后传送给FPGA。这样的设计使得控制系统的软硬件平台具有良好的通用性、灵活性和扩展性。

1.5 ARM控制器的存储器单元

本系统为ARM控制器配置了由2片16位的容量为128Mb的DRAM HY57V281620CT—H组成的32位存储器，8位容量为64MB的NAND Flash K9F12 08U0C。WINCE操作系统存贮在NAND Flash中，系统启动后固化在S3C2440内部4KFLASH中的启动代码将操作系统在拷贝到DRAM中运行。

1.6 FPGA存储器单元

FPGA配置了容量为256Mb的16位高速DDR(Double Data Rate)型SRAM(Static RAM)MT46V16M16TG，伺服电机驱动控制程序在此运行。另外提供了一片容量为512 KB的16位CMOS型SRAM芯片IS62WV51216BLL，此空间用来存放用户开发的应用程序，如图4所示。其中MAX6367PKA29低功耗电源监控电路，带有备用电池及晶片启动浇注。其复位引脚和输入使能控制引脚由FPGA I/O口控制。输出使能端与SRAM片选使能信号端相连，当输入使能有效时输出使能引脚产生低电平从而使能SRAM。当此电源监控芯片检测到供电电压高于复位门槛电压2.93 V时，也就是系统未掉电时，采用系统电源供电，同时对0.1 F大电容C48充电，当检测到系统掉电时采用备用纽扣电池供电，当纽扣电池电量耗尽更换电池时采用C48电容对该芯片供电，采用这些措施充分保证了用户应用程序掉电不消失。

1.7 FPGA与伺服驱动模块通信接口

由FPGA和以太网物理收发器芯片DM9161A、以太网变压器-滤波器芯片HS9016构成的以太网接口电路，采用FFC连接器，利用双绞线与伺服驱动模块进行通信。实验证明数据传输稳定，通信效果良好。

1.8 伺服驱动单元

伺服驱动单元是电机的功率驱动部分，是驱动电机运转的关键，该部份包括整流、逆变、前置驱动、电流检测及过压、欠压、过载等保护功能。本系统中用一个交流伺服电机作为主轴电机，4个直流步进电机分别作为x轴步进电机、Y轴步进电机、剪线压脚步进电机和抓线步进电机。电机的三相电源控制信号经光电耦合器隔离，分别控制电机驱动智能模块IPM的U、V、W三相输入端，控制IPM的输出功率晶体管导通或截止，得到驱动电机的输出可调频率的交流电压，从而控制电机的转动、运动方向及转速。限于篇幅，在此不列出详细的硬件设计原理图。

2 系统软件设计

本系统的软件设计分为3部分，分别是基于ARM的程序设计、基于FPGA的程序设计以及基于具体应用的应用程序设计。本系统采用的WINCE操作系统是微软公司推出的开源嵌入式操作系统，资源丰富，集成了以太网、SD卡等常用的驱动，给出了液晶屏驱动程序的标准模块，只需要根据实际使用的液晶屏参数进行相应修改即可，极大的缩短了开发周期。

ARM控制芯片的程序流程图见图5中(a)图所示，系统上电后NAND FLASH的前4K代码会自动拷贝到S3C2440内部自带的SRAM中运行，这部分程序是系统的启动代码，首先进行初始化，包括时钟、工作频率、液晶屏等硬件的初始化，之后会将操作系统镜像拷贝到DRAM中运行，如果应用程序有变更或更新，则通过总线将SD卡中的应用程序拷贝到为FPGA配置的SRAM中。如果通过液晶屏或者按键输入要执行的任务，则给FPGA传送控制指令，FPGA调用相应的应用程序控制电机执行操作。FPGA运动控制芯片的程序流程图见图5中(b)图所示，系统上电后首先进行硬件初始化，然后进行系统自检，如果自检发现有错误则进行报警处理，否则系统进入到控制状态，要实时监测是否接收到来自ARM的控制指令，如果有，则调用相应的电机控制程序并执行。应用程序的设计为用户根据具体的应用开发，本文不做介绍。

3 设计注意事项

通过实际调试，在设计中有以下几方面应予以重视。

1)由于系统的+5 V输入电源是由伺服驱动模块提供，为了避免干扰，建议用一个103的瓷片电容、一个100μF的电解电容以及一个型号为GSMA321611-U0031的磁珠进行滤波处理。

2)在设计PCB(Printed Circuit Board)时，模拟地和数字地应该分开布局，分别布线。SD卡、液晶屏的金属外壳应该做接地处理，为机壳地，应该单独走线。最后用型号为GSMA321611—U0031的磁珠将数字地、模拟地、机壳地进行共地处理。

3)由于变压器一滤波器芯片HS9016输出为差分信号，在PCB布线时尽量走等长线，用带屏蔽的双绞线与伺服驱动模块进行通信。

4)TPS75003是一款开关电源芯片，建议严格按照其给出的参考布局进行PCB布局，否则极有可能造成电源输出不稳定而导致整个系统瘫痪。

5)由于该控制系统的PCB为六层板，建议在设计PCB时，对于电源部分的设计采用内层分割和填充技术，去掉内层，局部制作成两层板，这样可以有效防止电源与其他电路相互干扰。

6)操作系统建议采用Wince，其BSP自带USB、SD、以太网驱动，设计时无需改动。液晶屏也给出了标准模板，提供了API函数，只需根据实际硬件设计情况修改相关寄存器即可，如此会大大降低开发难度和缩短开发时间。

4 结束语

随着集成电路、计算机技术、嵌入式技术在生产、生活中的应用越来越广泛，基于各种嵌入式平台的机电一体化技术已经到来，并成为最具开放性的控制体系结构。将这种新型的控制体系应用于特种工业缝纫机领域，社会效益和经济效益良好。