基于ARM和CPLD的喷气织机控制系统设计

摘要：文章研制开发一款基于ARM和CPLD的喷气织机控制系统，CPLD控制器作为主CPU的协处理器，不仅可以减轻主控制器的负担，提高系统速度，而且使系统更加可靠稳定，也更具有灵活性和扩展性。系统采用模块化设计方案，可根据客户要求进行部分模块更新，便于升级维护，人机界面易于操作。

关键词：ARM；CPLD；FPGA；喷气织机；控制系统

中图分类号： TP273 文献标识码：A

The Design of Air-jet Loom Control System Based on ARM and CPLD

Abstract： The article introduced an air-jet loom control system developed on the base of ARM and CPLD. As the co-processor of CPU， CPLD can not only share the burden of main controller， but also increase the speed of the system and make the system more reliable and stable， featuring high flexibility and expandability.

Key words： ARM； CPLD； FPGA； air-jet loom； control system

现代喷气织机以其高速、高性能等优势，占据了无梭织机的大部分市场，并越来越受到市场的青睐。目前国内研制的喷气织机基本采用单一的微控制器，由于控制程序复杂，织机的运行速度受到一定的限制。为了满足国内市场对喷气织机的效率及产品质量越来越高的要求，本文研制开发一款基于ARM和CPLD的喷气织机控制系统，对提升我国织机的国际竞争力具有重要意义，并且就国内市场而言，具有广阔的应用前景。

1 喷气织机的基本工作原理

喷气织机的五大运动包括开口、引纬、打纬、送经和卷取，这五大运动都是以织机主轴转动一圈的时间为一个运动周期，经纱和纬纱在该周期内完成一次交织从而形成织物。开口运动是在引纬之前将织轴引出的经纱按组织点的要求向上和向下分开，形成一个可以让纬纱顺利通过的梭口的运动。引纬运动是将纬纱引入并通过梭口的运动，喷气引纬的原理是利用喷气射流对纬纱表面作用的摩擦引力而将纬纱带过织口。打纬运动是将引入的纬纱推入织口，与经纱交织，形成织物的这一运动过程；经过开口、引纬和打纬三大运动可将经纬纱交织形成织物。为了保证织造的连续进行，需由送经机构不断地送出经纱，并由卷取机构将织好的织物引离梭口，使织机可以不断地进行织造。

2 控制系统整体设计

本系统设计基于ARM+CPLD的高速运动控制器，不仅可以满足喷气织机的高速控制要求，而且采用ALTERA公司的CPLD EPM3512a实现织机的精确位置控制与时序逻辑控制。织机控制器根据织造的工作周期对织机的五大运动进行有序地控制，同时对其他一些辅助运动譬如断经等故障也要进行相应地处理。织机控制器需要控制和检测的设备有织机主电机、编码器、喷嘴阀门、电子多臂、储纬器、刹车、指示灯等。因此，为了减轻一个控制器的控制负担，该控制系统由ARM控制系统和CPLD控制系统两大部分构成，CPLD控制系统作为主CPU的协处理器。其中光电编码器的 8 位格雷码并行输入到CPLD进行预处理，CPLD协助CPU处理一个6 × 8 矩阵键盘的扫描编码，CPLD协处理器和CPU通过地址总线、数据总线和中断信号线进行通讯，CPU通过CPLD扩展I/O口来采集织机上的按键输入、状态/故障信号输入，输出控制信号到织机。这样CPLD控制系统不仅减轻了主CPU的负担，而且使系统更加可靠稳定，也更具有灵活性和扩展性。

ARM控制系统由电源模块、主控制器最小系统、人机界面、电子送经/卷取以及各种传感器等模块构成，其整体构架如图 1 所示。硬件控制系统设计采用模块化设计方案，使各模块之间通过CAN总线进行数据通讯，便于管理和维护升级。硬件电路为光藕隔离电路，使得整个系统处理速度快、可靠性高、可扩展性强，完全满足高速织机系统快速响应性的要求。

主控板采用CAN总线与电子送经/卷取送经控制模块、引纬控制模块、刹车模块及人机交互模块进行信息通讯。主控板具备绝对式编码器信号的输入输出接口，脉冲速率在51.2 kHz以上，主轴伺服系统通过该接口获取织机主轴编码器信号，从而带动五大运动在一个周期内实现循环动作。

3 各部分控制器介绍

3.1 主控制器设计

ARM微控制器选用NXP公司的LPC 3250芯片，该处理器是基于ARM926EJ-S内核，最高主频可达266 MHz。片内有32 kB容量的指令与数据缓存，256 kB内部静态RAM。芯片采用AHB总线阵列结构连接各个AHB设备，另有 3 条独立总线分别连接USB控制器、LCD模块和以太网控制器，同时提供 4 个静态存储器片选，每个支持16 MB存储空间。LPC3250处理器具有丰富的设备接口，如支持DMA控制器的10/100 MPS的以太网接口、USB接口、I2C接口、SD存储卡接口和 1 个看门狗定时器。并且，具有标准的ARM测试/调试接口可以与现有调试工具兼容，以便于系统在线升级和维护。

主控板的所有外部I/O接口均采用光藕隔离设计，以增强系统的抗干扰性和可靠性。主控制器与各功能模块间采用CAN总线的通讯方式进行实现，CAN总线适用于简短数据频繁传送的场合，它高性能、高可靠性的优点特别适合工业设备的互连。主控制器一方面通过CAN总线将织机的参数传输给各功能模块，同时接受和发送织机的主要运动状态信号，保证织机正常连续的运行。通过主轴的位置编码器检测织机主轴的位置，根据织机的工作圆图控制织机开口、引纬和打纬机构的协调运动。

由于LPC3250处理器本身没有集成CAN模块，需外扩CAN总线接口，来满足主控制器与各功能模块之间的通讯需求。CAN总线控制器采用Philips公司的SJA1000，SJA1000是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，支持CAN2.0B协议，支持11位和29位ID，位速率可达 1 M，具有总线仲裁功能。

3.2 主要功能模块介绍

3.2.1 电子送经/卷取模块

电子送经和卷取控制系统的控制对象是经纱张力，其控制方式是通过调整送经和卷取电机的转速来控制送经量和卷取量，从而实现经纱张力的控制。那么，控制系统的直接控制对象就是送经电机和卷取电机，控制方案也从这两个方面进行研究。对于作为标准模块的电子送经卷取控制系统，为了使其能在所有类型的喷气织机上使用，设计中采用了CAN总线与主控制器进行通讯，并设计了人机界面进行参数设置及运行信息显示。并考虑到织机的多种情况，即不仅有单根入纬的织机，也有双根入纬的织机，其卷取速度要分别进行计算。其控制框图如图 2 所示。

3.2.2 引纬模块

喷气织机通过气流进行引纬，用喷射出的压缩气流对纬纱进行牵引，使纬纱顺利通过梭口。引纬模块主要采用基于复杂的时序功能控制的FPGA实现精确地控制，FPGA可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计。用于对主副喷嘴的开启和关闭时间进行精确控制，同时对短纬和断纬故障进行及时检测，并通过CAN总线将故障信号传输给主控制器，使整台织机停止工作，减少织疵的产生。

FPGA可编程单元通过比较编码器的角度信号和设定角度信号产生引纬单稳态和保持信号；引纬单稳态和保持信号通过驱动电路控制电磁阀的动作。FPGA控制引纬电磁阀按照预先设定的引纬角度依次开启和关闭，形成气流引导纬纱运动。引纬效果的好坏直接关系到喷气织机的整机性能，也直接决定着布面的质量和开车效率。喷气织机的引纬信号多达几十路，并且引纬信号对控制精度和一致性要求非常高，一般引纬信号的控制误差要求不超过1°，在织机速度为1 200 r/min的情况下，织机角度1°对应为130 ms左右。FPGA的编程语言采用VHDL硬件描述语言，其程序为并行执行，也就是说一旦主机角度或设定的打开关闭角度有变化，所有的引纬信号可立即并行输出，误差仅为建立信号所需要的几

3.2.3 人机交互模块

人机交互系统选用三星公司的S3C2410作为核心CPU，采用WINCE嵌入式操作系统，为用户提供良好的交互界面，用户可通过人机界面设置和织机工艺有关的所有参数。并将参数存储在人机交互模块中的Flash存储器中。同时，可通过CAN总线将参数传送到相应的功能模块内。并且，可通过人机界面查看各个子系统的参数。故障界面可单独显示，能对历史故障和当前故障列表进行查询。

为了提供系统的安全性和技术保密性，根据不同级别的人员开放不同的使用权限，将人机界面的用户权限划分为挡车工、机修工和研发人员 3 个操作等级，挡车工界面可查看普通参数、运行参数、生产管理参数等；机修工除具有挡车工的用户权限外，还可设置系统的运行参数、管理参数、设备参数等；研发人员的使用权限最高，除具有机修工的用纳秒时间，因此，FPGA产生的引纬信号可以很好地满足喷气织机对引纬控制精度和一致性的要求。引纬控制模块结构框如图 3 所示。

主控制器通过CAN总线将与引纬相关的参数传输给引纬控制模块，喷气织机的主轴编码器采用绝对式编码器，主控制器将主轴的位置信号传输给引纬控制模块，引纬模块根据主轴所处的位置及织机工艺参数，准确地对主副喷气的开启和关闭进行实时控制。

参照ZXF9100型织机研制，幅宽为190 cm，转速为1 500 r/min，辅助喷嘴间距为前22个为80 mm，可减少耗气量，后2 个间距为60 mm，离出口侧140 cm将辅助喷嘴间距减小，目的在于托起纬纱伸直纱尾。控制对象有挡纱销，主喷嘴电磁阀，8 只辅助喷嘴电磁阀。第一个辅助喷嘴距边纱30 mm，最后一个距边纱20 mm，每 3 个辅助喷嘴为一组，即由一个电磁阀控制，共 8 组。停纬销开启时间为82°，关闭时间为202°；主喷嘴开启时间92°，关闭时间202°，开启时间为110°，第一组辅助喷嘴和主喷嘴开启时间相同，喷气时间为80°，辅助喷嘴的先喷角为15°，拉伸喷嘴起拉伸作用，开启时间为212°，关闭时间为322°，开启时间为110°。其对应的时序图如图 4 所示。户权限外，可设置内部参数、监控内部状态、可恢复出厂设置等。其控制操作流程图如图 5 所示。

4 CPLD系统设计

系统选用CPLD不仅可以减轻主控制器CPU的负担，而且可以使CPU对系统需求得到更及时的响应。根据控制需求的I/O和宏单元数，本系统选用Altera公司生产的EPM350系列中的EPM3512a控制器。它有512个宏单元，10 000个可用门，172个I/O引脚PQFP封装，提供JTAG接口，可进行ISP编程，2 个全局时钟和 6 个输出使能信号，可编程触发器具有单独的清除、置位、时钟和时钟使能控制，可编程节省功率模式，使每个宏单元功耗降低50%或者更低。引脚电压具有2.5、3.3和5.0 V多电压操作，I/O引脚均可设置为3.3 V，由于LPC3250主控制芯片的引脚电压也为3.3 V，这样使总线接口无需电平转换，从而简化硬件电路。控制系统设计采用Altera公司的MAX-PLUS Ⅱ软件进行实现。

CPLD用于扩展输入/输出端口，主要控制信号包括片选信号、选纬控制信号、经纱及纬纱传感器检测信号、S型张力传感器信号、读写信号等。片选信号CS1和CS2分别用于对外扩存储器SDRAM和Flash进行选择，中断信号用于对外界按键及紧急，5 路经纬纱检测信号，用于对断经断纬信号进行及时处理，8 路纬纱选择信号。

CPLD扩展系统的采用有利于系统扩展与功能的升级。该系统不仅能实现执行设备与嵌入式处理器之间的信息通讯，并能通过解析嵌入式处理器操作命令，完成相应控制，从而分担嵌入式处理器对事务的处理，并提高系统的实时性。

5 总结

本文研制开发的基于ARM和CPLD的喷气织机控制系统，不仅可以满足喷气织机高速、高精度的要求，而且硬件电路采用模块化设计方案，能够根据客户需求，增减功能模块，便于系统升级维护，并提高了系统的抗干扰能力。调试结果说明，主控系统与各子模块之间采用标准的CAN总线接口通讯，可以实现主控制器与模块间的参数传递，使得织机控制系统的可扩展性、维护性和容错性明显提升。并能进行车间织机联网，实时监控每台设备的运行状态，及时准确地消除故障，提高织机的工作效率。Wince人机界面更加人性化，并且易于操作，不同人员权限级别不同，从而保护系统的稳定性，避免因误操作带来的不必要麻烦。

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