摘要： 本文在分析電腦橫機功能要求和控制系統的實現方式的基礎上，介紹一種基于嵌入式技術開發的全自動電腦橫機控制系統，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中技術含量較高的機械,它集成了大量的數字開關量控制、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采用單片機做主處理器或者以工業控制計算機為基礎開發而來，還有采用32位處理器ARM和群組單片機組成的控制系統。采用單片機做主處理器,有集成度不高、穩定性不好等缺點。以工業控制計算機為基礎開發而來的電腦橫機控制系統，主程序在工控機上運行，處理速度快，運行穩定，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，雖然簡化了電腦橫機控制系統的結構，使用了多種外圍芯片集于一體的ARM芯片，提高了系統的穩定性和可靠性，但多單片機的協調工作問題及工業場合的抗干擾問題一直未得到很好的解決，系統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的實現方式的基礎上，提出采用32微處理器ARM和FPGA作為該控制系統的主控制和從控制，基本解決了上述問題。在該系統中ARM作為上位機主要實現加工數據的管理，FPGA解釋并執行上位機送來的命令及監控個子系統的運行情況，發現異常時向上位機報警。 控制系統框架如圖1所示 [align=center] 圖1控制系統框架圖[/align] 1電腦橫機控制系統的要求 電腦橫機控制系統主要包括，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、現場同步與故障信號預處理模塊等部分。而橫機控制系統的核心就是通過電磁鐵、步進電機、交流伺服電機等執行設備配合檢測單元產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硬件系統設計 電腦橫機控制系統是一個在線實時控制系統，設計時要同時考慮控制的可靠性及其性價比。如前所述，由于單片機和工業控制計算機分別存在著諸如集成度不高、穩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，系統管理器，代用PWM功能的5通道定制器等[2]。三片FPGA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、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良好的用戶界面，并且通過數據總線、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/讀取數據，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FPGA以從處理器的模式配合主處理器工作，作為主控制系統與底層執行器的直接對話部分，實現對多路電機、電磁鐵的驅動和控制。具體來說，FPGA（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路位置計數信號，充分反映了橫機當前的工作狀態；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，本控制系統有多路電源，強弱電信號必須經過隔離，我們選用的是光電耦合器2501來實現隔離的功能。系統硬件結構如圖2所示。 [align=center] 圖2系統硬件結構圖[/align] 3軟件系統設計 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，該花型圖像經花型準備系統處理后，轉換成花型數據文件，該文件不僅包含花型本身的信息，還包含選針數據和其他控制數據，通過信息載體輸出到電腦橫機控制器的上位機模塊，經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現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的軟件包括底層設備驅動程序、應用程序、工藝執行程序等。針織控制程序基于設備驅動接口實現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，中斷服務程序被執行。服務于I/O請求的子程序，通過一系列入口函數，控制電磁鐵和電機的動作。 我們采用Borland C/C++進行軟件開發。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。當系統啟動時，設置一些參數，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據文件。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據，最后才開始正式編織。 大多數復雜的嵌入式系統中都采用實時操作系統，我們選用UC/OSⅡ作為該控制系統的操作系統。UC/OSⅡ是一種源碼開放（C 代碼） 的嵌入式實時操作系統,簡單易學，提供了嵌入式系統的基本功能，其核心代碼短小精悍，如果針對硬件進行優化，還可以獲得更高的執行效率[2 ] 。UC/OSⅡ在本控制系統中主要負責各個功能任務管理和調度,是整個控制系統的軟件運行環境。利用UC/OSⅡ的任務調度和郵箱消息傳遞可實現各部分功能之間的通訊和任務級調度,實現橫機各個復雜部件控制的協調配合。 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。它具有處理速度快，運行穩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所帶來的問題得到了很好地解決。對比傳統的控制系統設計方法，本課題設計的系統在縮短前端控制時間的基礎上提高了控制精度，也能使現龐大的控制系統的體積縮小。