CN103612287B - 一种基于arm和fpga的推台锯控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统。它包括ARM主处理器模块、FPGA协处理器模块、控制用电机模块及驱动用电机模块，ARM主处理器模块包括ARM主控制器单元、触摸液晶屏单元、第一通讯接口和开关量输入输出单元；FPGA协处理器模块包括FPGA核心板和第二通讯接口；控制用电机模块包括纵靠尺定位交流伺服电机单元、锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元；驱动用电机模块包括主锯片电机单元和划线锯片电机单元。采用这种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统在满足用户使用需求的同时也给产品升级改造设计预留了广阔的应用空间，在拥有良好性能情况下，其价格相比传统控制系统拥有更大的竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及木工机械技术领域，尤其涉及一种推台锯控制系统。
背景技术
随着人们生活水平的提升，人们越来越注重生活品质，追求物质生活，对于像家庭中必不可少的家具要求也越来越高，已经不满足手工制作的需要，更注重于时尚潮流，推台锯的出现解决了很大的问题。因其可以快捷而精准地锯切木料而逐渐在木工行业被广泛使用，传统的推台锯大多是采用人工手动调节加工参数，存在调节困难、加工精度相对较低、生产效率低下等问题；严重阻碍木工行业发展。
随着自动化技术发展以及对高效率加工的需求，市场上也出现了数控化的精密推台锯，但是大多采用PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制系统)来实现，比如刘敬盛申请的专利《一种带数控定位装置的纵靠尺》（2011.11.4,申请号201120434087），介绍了基于PLC的一种纵靠尺定位方案；很少有一套完整的数控化控制方案，同时基于PLC的方案也存在控制成本较高、控制系统不易扩展等自身缺点。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，该方案具有控制成本低，且控制系统易于扩展，给该产品升极改造设计预留了广阔的应用空间。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：该系统包括ARM主处理器模块、FPGA协处理器模块、控制用电机模块以及驱动用电机模块；所述的ARM主处理器模块包括ARM主控制器单元、触摸液晶屏单元、第一通讯接口、开关量输入输出单元；所述的FPGA协处理器模块包括FPGA核心板和第二通讯接口；所述的控制用电机模块包括纵靠尺定位交流伺服电机单元、锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元；所述的驱动用电机模块包括主锯片电机单元、划线锯片电机单元；所述锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元分别与FPGA协处理器模块相连接，纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元、划线锯片电机单元分别与ARM主处理器模块的开关量输入输出单元相连接；磁栅尺单元实现对锯片角度及高度调整直流推杆单元的锯片高度方向和锯片角度方向AB相脉冲信号采集，所述锯片角度及高度调整直流推杆单元实现对两路直流推杆进行位置PID控制；所述纵靠尺定位交流伺服电机单元实现对推台锯的纵靠尺的自动定位调整，所述ARM主处理器模块通过第一通讯接口与FPGA协处理器模块的第二通讯接口通讯，主锯片电机单元、划线锯片电机单元用于读取主锯片电机和划线锯片电机的工作状态信号。
作为本发明的进一步优化方案，所述的控制用电机模块还包括夹具夹紧控制直流电机单元，所述夹具夹紧控制直流电机单元与ARM主处理器模块的开关量输入输出单元相连接，用于实现电动夹具的夹紧松开控制。
作为本发明的进一步优化方案，所述ARM主控制器单元为S3C6410芯片。
作为本发明的进一步优化方案，所述第一通讯接口包括第一RS485接口，所述第二通讯接口包括第二RS485接口，所述ARM主处理器模块通过第一RS485接口与FPGA协处理器模块的第二RS485接口相通讯。
作为本发明的进一步优化方案，所述第一通讯接口还包括RS232接口、RJ45接口、USB接口和嵌入式WIFI控制模块中一种或者任意几种组合。
作为本发明的进一步优化方案，所述开关量输入输出单元通过光耦隔离与夹具夹紧控制直流电机单元、纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元和划线锯片电机单元相连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述磁栅尺单元和锯片角度及高度调整直流推杆单元采用光耦隔离与FPGA核心板相连。
作为本发明的进一步优化方案，所述的锯片角度及高度调整直流推杆单元包括两路直流电机驱动器和两个直流推杆。
作为本发明的进一步优化方案，FPGA核心板还包括寄存器模块、细分整形模块和辨向计数模块，FPGA核心板通过第二RS485接口电路获得ARM主处理器模块的用户设置信息，并存储在寄存器模块中；同时磁栅尺单元反馈回来的锯片高度方向和锯片角度方向AB相脉冲经过细分整形模块、辨向计数模块形成直流推杆当前位置信息也存储在寄存器模块中；然后用户设置信息与当前位置信息经过FPGA内部PID控制模块产生可以对直流推杆驱动器直接输入的方向Dir信号，并且经过FPGA内部PID控制模块以及脉宽调制电路PWM产生模块形成可以对直流推杆驱动器直接输入的PWM；实现对锯片角度与高度的全闭环位置控制。
本发明有如下优点和积极效果：
1、采用这种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统在满足用户使用需求的同时也给产品升级改造设计预留了广阔的应用空间，在拥有良好的性能的情况下，其价格相比传统控制系统开发所使用的PLC加触摸屏加组态软件的方式拥有更大的竞争力。
2、由于上述功能都利用FPGA内部电路实现不存在程序跑飞情况，并且又有很高的响应速度使得整体抗干扰能力强，适应性广。
3、本发明锯片角度及高度调整直流推杆单元采用直流推杆控制锯片高度与角度调整，利用磁栅尺单元反馈锯片当前位置信息配合FPGA协处理器模块进行全闭环控制，实现了真正意义上的锯片角度及高度全闭环调整，同时比现有的一些伺服电机调整锯片参数方案更加简单和低成本。
附图说明
图1是本发明的推台锯控制系统结构示意图；
图2是现场可编程门阵列FPGA内部逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式做进一步的说明。
为了便于解释和说明，各个部分和结构的大小并不代表实际尺寸；附图仅为示意图，为了更清楚的说明，一些公知的功能和结构是省略的，对这些结构的说明也省略了。
在本发明中，除有特殊说明，其它在术语“连接”和“相连”应该做广义理解，可以包括机械连接或电气连接或元器件内部电路连接；对本领域的普通技术人员可以根据具体情况来理解上述术语。
下面结合图1所示的控制系统结构对本发明进行说明，具体如下：
本发明的控制系统结构，包括ARM主处理器模块101、FPGA协处理器模块102、控制用电机模块103以及驱动用电机模块104；上述4个模块依次相连。其中ARM主处理模块101包括ARM主控制器单元1013、触摸液晶屏单元1012、第一通讯接口、开关量输入输出单元1011；所述的FPGA协处理器模块包括FPGA核心板1022和第二通讯接口；所述的控制用电机模块包括夹具夹紧控制直流电机单元1031、纵靠尺定位交流伺服电机单元、锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元1037；所述的驱动用电机模块包括主锯片电机单元1041、划线锯片电机单元1042；其中纵靠尺定位交流伺服电机单元包括伺服电机驱动器1032和伺服电机单元1033，所述锯片角度及高度调整直流推杆单元包括两路直流推杆驱动器1034、第一直流推杆1035和第二直流推杆1036，两路直流推杆驱动器分别与第一、第二直流推杆1035、1036相串联，所述锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元1037分别与FPGA协处理器模块相连接，夹具夹紧控制直流电机单元1031、纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元1041、划线锯片电机单元1042分别与ARM主处理器模块的开关量输入输出单元1011相连接。对上述连接具体说来，所述ARM主处理器模块通过第一通讯接口与FPGA协处理器模块的第二通讯接口通讯，其中所述ARM主处理器模块101包括第一RS485接口1017，所述FPGA协处理器模块102包括第二RS485接口1021，所述ARM主处理器模块101通过第一RS485接口1017与FPGA协处理器模块102的第二RS485接口1021连接，同时第一RS485接口也与控制用电机模块103中伺服电机驱动器1032连接；所述第一通讯接口还包括RS232接口、RJ45接口和USB（host）接口1014以及包含SPI接口1015的嵌入式WIFI控制模块1016中的一种或者任意几种组合。所述开关量输入输出单元1011通过光耦隔离与夹具夹紧控制直流电机单元1031、纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元1041和划线锯片电机单元1042相连接。所述磁栅尺单元1037和锯片角度及高度调整直流推杆单元采用光耦隔离1023与FPGA核心板相连。
磁栅尺单元实现对2路磁栅信号处理，磁栅尺单元实现对实现对锯片角度及高度调整直流推杆单元的锯片高度方向和锯片角度方向AB相脉冲信号采集，所述锯片角度及高度调整直流推杆单元实现对两路直流推杆进行位置PID控制；所述纵靠尺定位交流伺服电机单元实现对推台锯的纵靠尺的自动定位调整，夹具夹紧控制直流电机单元实现电动夹具的夹紧松开控制，主锯片电机单元、划线锯片电机单元用于读取主锯片电机和划线锯片电机的工作状态信号。
下面结合附图对本发明的工作原理作进一步详细的描述：
ARM主控制器单元1013为飞凌公司的OK6410核心板，其上采用ARM11(S3C6410)为主控制核心；配合嵌入式Linux操作系统，在Linux系统的配合下开发人机交互界面、通讯控制程序、机床控制程序。利用QtE设计人机交互界面，采用C/C++设计驱动程序及通讯控制程序，FPGA协处理器模块102中FPGA核心板1022，采用Altera公司的EP4CE6E22CBN芯片作为协处理芯片；通过光耦隔离与磁栅尺单元相连（其中磁栅尺安装位置不详细说明），通过FPGA处理磁栅尺单元反馈的信号来获得锯片高度和角度位置信息，同时FPGA核心板102通过光耦隔离与直流推杆驱动器连接以对直流推杆进行位置全闭环控制，以达到精确定位的效果。如图2所示，FPGA核心板还包括寄存器模块、细分整形模块和辨向计数模块。FPGA核心板1022通过第二RS485接口电路1021获得ARM主处理器模块101的用户设置信息，并存储在寄存器模块中；同时磁栅尺单元反馈回来的AB相脉冲经过细分整形模块、辨向计数模块形成直流推杆当前位置信息也存储在寄存器模块中；然后用户设置信息与当前位置信息共同经过FPGA内部PID控制模块以及脉宽调制电路PWM产生模块形成可以对直流推杆驱动器直接输入的脉宽调制电路PWM和方向Dir信号；所述夹具夹紧控制直流电机单元1031、主锯片电机单元1041以及划线锯片电机单元1042直接通过开关量输入输出单元1011来实现启停控制；纵靠尺定位交流伺服电机单元通过伺服电机驱动器1032与ARM主处理器模块101的第一RS485接口1017通讯来实现对纵靠尺定位控制。本发明中ARM主处理器模块采用ARM11(S3C6410)为主控制核心，采用嵌入式Linux为操作系统，实现对推台锯的纵靠尺的自动定位调整、与FPGA协处理器模块通讯、电动夹具实现夹紧松开控制,、以及读取主锯片电机、划线锯片电机和其他限位开关等机器工作状态信号；利用RJ45网络接口，通过以太网来对搭载嵌入式Linux系统的ARM主控制器的应用程序进行远程下载，以实现产品程序的远程升级换代，普通带WIFI连接的手持设备（例如手机，PAD等）上开发有应用程序然后利用WIFI控制模块与搭载嵌入式Linux系统的ARM主控制器上的应用程序实现网络连接，来对机器状态以及加工参数实现无线设置。本发明FPGA协处理器模块采用EP4CE6E22CBN芯片为核心，利用VerilogHDL设计EP4CE6E22CBN芯片内部电路实现对2路磁栅信号处理、与ARM主处理器通讯、对两路直流推杆进行位置PID控制。以Altera公司的quartus II为开发工具。内部利用VerilogHDL代码来实现电路功能，具体内部模块思想设计见图2。
值得提出的是本发明主要突出了新型控制系统控制架构，不涉及机械结构设计，因为我们只在别人的机床上做控制系统，该控制系统也不是专用与某一个类型推台锯，而是所有推台锯都可以使用该控制系统。基于本发明的构思，不同需求只需要简单的修改和扩展即可。
上述的实施例是本发明的较佳实施方案，并不用于限制本发明；本发明所属领域的普通技术人员还可以对上诉实施方式进行适当的变更和修改；对本发明的一些变更和修改也应落入本发明的权利要求保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：该系统包括ARM主处理器模块、FPGA协处理器模块、控制用电机模块以及驱动用电机模块；所述的ARM主处理器模块包括ARM主控制器单元、触摸液晶屏单元、第一通讯接口、开关量输入输出单元；所述的FPGA协处理器模块包括FPGA核心板和第二通讯接口；所述的控制用电机模块包括纵靠尺定位交流伺服电机单元、锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元；所述的驱动用电机模块包括主锯片电机单元、划线锯片电机单元；所述锯片角度及高度调整直流推杆单元和磁栅尺单元分别与FPGA协处理器模块相连接，纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元、划线锯片电机单元分别与ARM主处理器模块的开关量输入输出单元相连接；磁栅尺单元实现对锯片角度及高度调整直流推杆单元的锯片高度方向和锯片角度方向AB相脉冲信号采集，所述锯片角度及高度调整直流推杆单元实现对两路直流推杆进行位置PID控制；所述纵靠尺定位交流伺服电机单元实现对推台锯的纵靠尺的自动定位调整，所述ARM主处理器模块通过第一通讯接口与FPGA协处理器模块的第二通讯接口通讯，主锯片电机单元、划线锯片电机单元用于读取主锯片电机和划线锯片电机的工作状态信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述的控制用电机模块还包括夹具夹紧控制直流电机单元，所述夹具夹紧控制直流电机单元与ARM主处理器模块的开关量输入输出单元相连接，用于实现电动夹具的夹紧松开控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述ARM主控制器单元为S3C6410芯片。
4.根据权利要求3所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述第一通讯接口包括第一RS485接口，所述第二通讯接口包括第二RS485接口，所述ARM主处理器模块通过第一RS485接口与FPGA协处理器模块的第二RS485接口相通讯。
5.根据权利要求4所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述第一通讯接口还包括RS232接口、RJ45接口、USB接口和嵌入式WIFI控制模块中一种或者任意几种组合。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述开关量输入输出单元通过光耦隔离与夹具夹紧控制直流电机单元、纵靠尺定位交流伺服电机单元、主锯片电机单元和划线锯片电机单元相连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述磁栅尺单元和锯片角度及高度调整直流推杆单元采用光耦隔离与FPGA核心板相连。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：所述的锯片角度及高度调整直流推杆单元包括两路直流电机驱动器和两个直流推杆。
9.根据权利要求4所述的一种基于ARM和FPGA的推台锯控制系统，其特征在于：FPGA核心板还包括寄存器模块、细分整形模块和辨向计数模块，FPGA核心板通过第二RS485接口电路获得ARM主处理器模块的用户设置信息，并存储在寄存器模块中；同时磁栅尺单元反馈回来的锯片高度方向和锯片角度方向AB相脉冲经过细分整形模块、辨向计数模块形成直流推杆当前位置信息也存储在寄存器模块中；然后用户设置信息与当前位置信息经过FPGA内部PID控制模块产生可以对直流推杆驱动器直接输入的方向Dir信号，并且经过FPGA内部PID控制模块以及脉宽调制电路PWM产生模块形成可以对直流推杆驱动器直接输入的PWM；实现对锯片角度与高度的全闭环位置控制。
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