CN103268092B

CN103268092B - 一种基于stm32与fpga的分布式圆机控制系统

Info

Publication number: CN103268092B
Application number: CN201310156263.7A
Authority: CN
Inventors: 李军; 周炯; 王起文; 史生水; 金柏林
Original assignee: Hangzhou Normal University
Current assignee: Hangzhou Normal University
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103268092A

Abstract

本发明公开了一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统，本发明包括管理层、协调层、执行层；管理层首先通过USB设备接口驱动芯片读入USB存储设备中的花型数据文件，再将花型数据存储至静态数据存储器中，再启动圆机转动电机，安装在圆机上的霍尔传感器和光电编码器通过协调层将圆机当前的圈信号、针信号、速度传输至管理层，管理层根据当前的圈信号和针信号，读取静态数据存储器中的花型数据，并将相应的动作数据通过协调层传送至执行层，执行层对传送过来的数据进行解析，控制安装在圆机上的选针器、气阀、步进电机按要求动作，这样就可以完成编织提花工作。本发明提高了系统的稳定性、可靠性和并行控制能力。

Description

一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统

技术领域

本发明涉及针织行业圆机控制的技术领域，具体是一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统。

背景技术

圆机是一种纬编针织机械，是针织行业的主要机械设备之一，具有产量高、工艺流程短、原料适用性广等特点，主要用于生产T恤、内衣、羊毛衣等服装和产业用布。近几年，国内外的生产厂商根据客户的需求都在努力开发新机种，在创新设计，材料选择，加工工艺，制造装配，自动控制等诸多方面都有提高，这使针织圆机的生产制造有了较快速的发展，出现了具有高机号、细针距、多路数、多功能等特点的双面提花圆机，在罗口编织、单双面提花、嵌花等编织功能上可以完成横机的工作，但工作效率比横机高上数倍。圆机控制技术伴随着圆机的发展而发展，因此，高档针织圆机控制系统具有广阔的发展空间和市场潜力。

目前，高档针织圆机技术基本被意大利、德国、日本等国家垄断，据统计，我国每年从以上国家进口针织圆机（包括圆机控制系统）数量占亚洲国家之最，而且引进价格极其昂贵。随着机械制造、机电一体化和电子选针等技术在国产针织圆机装备上的广泛应用，我国的针织装备技术水平与国外的差距已经逐渐缩短。国产针织圆机，无论是单、双面圆机，还是电脑提花圆机，在设备的多功能和质量稳定性上有了显著地提高。但在高机号、细针距、多路数、高精度、多功能的高档针织圆机的制造和控制技术上与国外仍存在着一定的差距，尤其是在智能控制、电子选针、多路数执行器驱动等技术上，需进一步深入研究。同时，圆机控制系统都采用集中式的控制方式，系统可扩展性较差，稳定性不够等问题。

经过多年的发展，国内市场旧圆机数量庞大，这些旧机器因控制系统的老化或落后而闲置在那里，造成极大的资源浪费。此外，国内一些企业为了减少资金投入，廉价从国外购置大量二手圆机，这些机器机械性能良好，但是控制系统大部分都已经无法正常工作。

因此，研究和开发高档针织圆机控制系统，实现高机号、多路数、细针距双面圆机的自动化控制，对提高我国针织装备技术水平，进一步缩短与国际先进水平的差距，打破国际技术垄断具有重要意义，同时，可实现旧机器的改造利用，提高资源的利用率，具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统。

本发明采用层次结构框架，使用分布式控制方式,从上向下，依次分为管理层、协调层、执行层，且管理层与协调层通过并行总线连接，协调层与执行层通过CAN总线连接。

管理层包括STM32嵌入式处理器、静态数据存储器(SRAM)、USB设备接口驱动芯片、串行通信芯片、LCD显示屏、触摸屏。LCD显示屏和触摸屏通过串行通信芯片连接到STM32嵌入式处理器的串行口上；静态数据存储器连接到STM32嵌入式处理器的FSMC总线上；USB设备接口驱动芯片连接到STM32嵌入式处理器的SPI接口上，STM32嵌入式处理器的并行总线接口与协调层的可编程逻辑器件的并行总线接口相连接；

所述的静态数据存储器存储用于存储编织花型数据;

协调层包括可编程逻辑器件、霍尔传感器、光电编码器、伺服电机驱动器、状态监控器。霍尔传感器、光电编码器、伺服电机控器、状态监控器都通过光耦隔离后，再连接到可编程逻辑器件的IO口上。霍尔传感器、光电编码器、状态监控器将检测到的信息传送给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件将信息整合后传送给伺服电机控器，用于控制圆机的转动；同时，可编程逻辑器件EP2C8T144上集成了CPU IP软核、CAN总线接口、并行总线接口电路。协调层中可编程逻辑器件的CAN总线接口与执行层中可编程逻辑器件的CAN总线接口相连接；

所述的霍尔传感器用于检测圆机转动的圈数；

光电编码器用于检测圆机上提花针走过的针数；

伺服电机控器用于控制圆机的转动；

状态监控器用于检测断纱、漏针、气压的监控；

执行层包括可编程逻辑器件、光耦、大功率管、步进电机驱动芯片、压电陶瓷片、气阀、步进电机。8个或16个压电陶瓷片用大功率管进行功率驱动，经过光耦隔离后连接到可编程逻辑器件上，构成选针模块；气阀也用大功率管进行功率驱动，经光耦隔离后连接到可编程逻辑器件上，构成气阀模块；步进电机通过步进电机驱动芯片驱动，经光耦隔离后连接到可编程逻辑器件上，构成步进电机模块。同时，可编程逻辑器件上集成了CPU IP软核、CAN总线硬件电路，构成一个执行单元。

所述的管理层是基于STM32微处理器的嵌入式系统，实现整个系统的调度指挥功能。同时开发基于嵌入式操作系统的友好人机界面，具有触摸屏输入、USB设备花型传输和大容量花型存储功能。

所述的协调层采用FPGA为控制单元，集成CPU IP核，设计开发嵌入式实时系统，协调控制各种执行机构或驱动器，并即时响应主机的各类同步信号、定位信号、事件触发信号和报警信号，提高控制的实时性和可靠性。

所述的执行层也采用FPGA为控制单元，集成CPU IP核，根据控制对象特点，开发执行机构电路驱动模块，实现对圆机上的执行机构进行控制，使圆机上的各个选针器、气阀、步进电机等按照编织工艺要求进行工作。

所述的管理层中STM32嵌入式处理器型号为STM32F103ZG、静态数据存储器(SRAM) 型号为 IS62WV51216、USB设备接口驱动芯片型号为CH375、串行通信芯片型号为MAX232；协调层和执行层中可编程逻辑器件型号为EP2C8T144、光耦型号为TLP127；执行层中步进电机驱动芯片型号为THB7128。

本发明工作过程如下：

管理层首先通过USB设备接口驱动芯片读入USB存储设备中的花型数据文件，再将花型数据存储至静态数据存储器中，通过人机交互系统设定圆机工作的各种参数，然后进入编织状态，再启动圆机转动电机，安装在圆机上的霍尔传感器和光电编码器通过协调层将圆机当前的圈信号、针信号、速度通过并行总线接口传输至管理层，管理层根据当前的圈信号和针信号，读取静态数据存储器中的花型数据，并将相应的动作数据通过协调层传送至执行层，执行层对传送过来的数据进行解析，控制安装在圆机上的选针器、气阀、步进电机按要求动作，这样就可以完成编织提花工作。

本发明有益效果是：

1）采用集中管理分散控制的分布式层次化结构体系，使整个控制系统的构架更加清晰，计算、控制、执行、反馈处理各部分功能明确；系统功能模块化开发，提高了开发效率，各功能模块配置更灵活，提高了系统的可靠性和可扩展性。这是控制系统在研发模式上的创新。

2）采用FPGA现场可编程技术,设计集成CPU IP核、多种硬件模块和控制接口，利用并行处理能力快速解析针动作信息，对执行部件进行并行控制，充分发挥FPGA在并行计算、处理、控制及通讯方面的优势，简化电路设计，协同各功能模块工作，提高系统的稳定性、可靠性和并行控制能力。

3）根据各类执行部件特点，分别对压电陶瓷选针器、气阀组和步进电机进行机电一体化设计，把驱动电路板整合到各个执行部件内，形成数字化执行机构，通过总线和电源线与控制端连接，减少了线路连接，降低了相互干扰，提高了稳定性和可靠性，形成的各种数字执行机构具有通用性。

附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是本发明的管理层电路框图；

图3是本发明的协调层电路框图；

图4是本发明的执行层电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统，如图1所示，采用层次结构框架，使用分布式控制方式,从上向下，依次分为管理层、协调层、执行层，且管理层与协调层通过并行总线连接，协调层与执行层通过CAN总线连接。

如图2所示，管理层包括STM32嵌入式处理器STM32F103ZG、静态数据存储器(SRAM) IS62WV51216、USB设备接口驱动芯片CH375、串行通信芯片MAX232、LCD显示屏、触摸屏。LCD显示屏和触摸屏通过串行通信芯片MAX232连接到STM32嵌入式处理器的串行口上；静态数据存储器连接到STM32嵌入式处理器的FSMC总线上；USB设备接口驱动芯片CH375连接到STM32嵌入式处理器的SPI接口上，STM32嵌入式处理器的并行总线接口与可编程逻辑器件EP2C8T144的并行总线接口相连接；所述的静态数据存储器存储用于存储编织花型数据。

所述的管理层是基于STM32微处理器的嵌入式系统，实现整个系统的调度指挥功能。同时开发基于嵌入式操作系统的友好人机界面，具有触摸屏输入、USB设备花型传输和大容量花型存储等功能。LCD显示屏和触摸屏通过串行方式连接到STM32嵌入式处理器，构成人机交互模块，通过人机交互模块控制USB接口芯片CH375，将U盘中的编织花型和编织动作文件读入到静态数据存储器中，同时，通过该管理层能够设置、修改和显示各种编织工作所需的系统参数、工作参数等。进入编织状态后，STM32处理器等待协调层传输过来的圈信号和针信号，快速准确地取出静态数据存储器中的花型和动作数据，并通过并行总线传输给协调层。

如图3所示，协调层包括可编程逻辑器件EP2C8T144、霍尔传感器、光电编码器、伺服电机驱动器、状态监控器。霍尔传感器、光电编码器、伺服电机控器、状态监控器都通过光耦TLP127隔离后，再连接到可编程逻辑器件EP2C8T144的IO口上。霍尔传感器、光电编码器、状态监控器将检测到的信息传送给可编程逻辑器件EP2C8T144，可编程逻辑器件EP2C8T144将信息整合后传送给伺服电机控器，用于控制圆机的转动；同时，协调层的核心器件是可编程逻辑器件EP2C8T144，通过硬件描述语言在其上集成了CPU IP软核、CAN总线接口、并行总线接口等多种硬件电路。；协调层中可编程逻辑器件EP2C8T144的CAN总线接口与执行层中可编程逻辑器件EP2C8T144的CAN总线接口相连接；

所述的霍尔传感器用于检测圆机转动的圈数；

光电编码器用于检测圆机上提花针走过的针数；

伺服电机控器用于控制圆机的转动；

状态监控器用于检测断纱、漏针、气压的监控。

所述的协调层采用FPGA为控制单元，集成CPU IP核，设计开发嵌入式实时系统，协调控制各种执行机构或驱动器，协调层主要是接收各种传感器信号、状态监控信号，对其进行预处理，再传送给管理层。同时，接收管理层传输过来的数据，根据要求下传至执行层；并即时响应主机的各类同步信号、定位信号、事件触发信号和报警信号，提高控制的实时性和可靠性。

如图4所示，执行层包括可编程逻辑器件EP2C8T144、光耦TLP127、大功率管、步进电机驱动芯片THB7128、压电陶瓷片、气阀、步进电机。8个或16个压电陶瓷片用大功率管进行功率驱动，经过光耦TLP127隔离后连接到可编程逻辑器件EP2C8T144上，构成选针模块；气阀也用大功率管进行功率驱动，经光耦TLP127隔离后连接到可编程逻辑器件EP2C8T144上，构成气阀模块；步进电机通过步进电机驱动芯片THB7128驱动，经光耦TLP127隔离后连接到可编程逻辑器件EP2C8T144上，构成步进电机模块。同时，可编程逻辑器件EP2C8T144上集成了CPU IP软核、CAN总线硬件电路，构成一个执行单元。

所述的执行层也采用FPGA为控制单元，集成CPU IP核，根据控制对象特点，开发执行机构电路驱动模块。执行层接收协调层传输下来的数据，EP2C8T144对数据进行解析，根据解析结果传输给相应的执行模块。步进电机模块用于控制密度三角，以调节织针走针高低从而实现编织密度控制；气阀模块用于实现三角的移动、喷油操作、换纱机构动作；选针模块用于实现对提花针的选针操作，实现提花功能。整个执行层实现了对圆机上的执行机构进行控制，使圆机上的各个选针器、气阀、步进电机等按照编织工艺要求进行工作。

本发明工作过程如下：

管理层首先通过USB设备接口驱动芯片CH375读入USB存储设备中的花型数据文件，再将花型数据存储至静态数据存储器中，通过人机交互系统设定圆机工作的各种参数，然后进入编织状态，再启动圆机转动电机，安装在圆机上的霍尔传感器和光电编码器通过协调层将圆机当前的圈信号、针信号、速度通过并行总线接口传输至管理层，管理层根据当前的圈信号和针信号，读取静态数据存储器中的花型数据，并将相应的动作数据通过协调层传送至执行层，执行层对传送过来的数据进行解析，控制安装在圆机上的选针器、气阀、步进电机按要求动作，这样就可以完成编织提花工作。

Claims

1.一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统，其特征在于：采用层次结构框架，使用分布式控制方式,从上向下，依次分为管理层、协调层、执行层，且管理层与协调层通过并行总线连接，协调层与执行层通过CAN总线连接；

管理层包括STM32嵌入式处理器、静态数据存储器、USB设备接口驱动芯片、串行通信芯片、LCD显示屏、触摸屏；LCD显示屏和触摸屏通过串行通信芯片连接到STM32嵌入式处理器的串行口上；静态数据存储器连接到STM32嵌入式处理器的FSMC总线上；USB设备接口驱动芯片连接到STM32嵌入式处理器的SPI接口上，STM32嵌入式处理器的并行总线接口与协调层的可编程逻辑器件的并行总线接口相连接；

所述的静态数据存储器存储用于存储编织花型数据；

协调层包括协调层可编程逻辑器件、霍尔传感器、光电编码器、伺服电机驱动器、状态监控器；霍尔传感器、光电编码器、伺服电机控器、状态监控器都通过光耦隔离后，再连接到协调层可编程逻辑器件的IO口上；霍尔传感器、光电编码器、状态监控器将检测到的信息传送给协调层可编程逻辑器件，然后传送给伺服电机控器，用于控制圆机的转动；同时，协调层可编程逻辑器件上集成了CPU IP软核、CAN总线接口、并行总线接口电路；协调层中协调层可编程逻辑器件的CAN总线接口与执行层中可编程逻辑器件的CAN总线接口相连接；

所述的霍尔传感器用于检测圆机转动的圈数；光电编码器用于检测圆机上提花针走过的针数；伺服电机控器用于控制圆机的转动；状态监控器用于检测断纱、漏针、气压的监控；

执行层包括执行层可编程逻辑器件、光耦、大功率管、步进电机驱动芯片、压电陶瓷片、气阀、步进电机；8个或16个压电陶瓷片用大功率管进行功率驱动，经过光耦隔离后连接到执行层可编程逻辑器件上，构成选针模块；气阀也用大功率管进行功率驱动，经光耦隔离后连接到执行层可编程逻辑器件上，构成气阀模块；步进电机通过步进电机驱动芯片驱动，经光耦隔离后连接到执行层可编程逻辑器件上，构成步进电机模块；同时，执行层可编程逻辑器件上集成了CPUIP软核、CAN总线硬件电路，构成一个执行单元。

2.如权利要求1所述的一种基于STM32与FPGA的分布式圆机控制系统，其特征在于：所述的管理层中STM32嵌入式处理器型号为STM32F103ZG、静态数据存储器型号为IS62WV51216、USB设备接口驱动芯片型号为CH375、串行通信芯片型号为MAX232；协调层中协调层可编程逻辑器件和执行层中执行层可编程逻辑器件型号为EP2C8T144、光耦型号为TLP127；执行层中步进电机驱动芯片型号为THB7128。